Вопросы к экзамену Устройство и принцип действия трансформатора. Классификация трансформаторов
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
Вопросы к экзамену 1. Устройство и принцип действия трансформатора. 2. Классификация трансформаторов. 3. Уравнения ЭДС трансформатора. Можно предположить, что результирующий переменный магнитный поток Ф в магнитопроводе трансформатора является синусоидальной функцией времени. Тогда мгновенное значение ЭДС, наводимой им в первичной обмотке, равно:  где со = 2л • /. По аналогии для вторичной обмотки  Таким образом, ЭДС е и е2 отстают по фазе от результирующего потока Ф на угол  .Действующие значения ЭДС  Отношение ЭДС обмоток ВН и НН называют коэффициентом трансформации:  Действующие значения ЭДС рассеяния пропорциональны токам в соответствующих обмотках  где ха1,ха2 - индуктивные сопротивления рассеяния первичной и вторичной обмоток соответственно. Знак минус в этих выражениях свидетельствует о реактивности ЭДС рассеяния. Для первичной обмотки трансформатора, включенной в сеть на напряжение С/,, с учетом падения напряжения в ее активном сопротивлении 1, уравнение напряжения имеет следующий вид:  В силовом трансформаторе индуктивное и активное падения напряжения невелики, поэтому можно считать, что  4. Уравнения МДС трансформатора. Уравнение равновесия МДС составим по 2-му закону Кирхгофа для магнитной цепи трансформатора, изображенной на рис. 1.3. Примем, что положительные направления МДС первичной и вторичной обмоток совпадают с направлением потока Ф0, тогда F1+F2=Uм (1.13) Выражения для МДС F1 и F2, через токи в обмотках приведены в §1.1. Падение магнитного потенциала Uм в магнитопроводе трансформатора, работающего с нагрузкой, практически такое же, как при холостом ходе. Объясняется это тем, что магнитный поток Ф0 при х.х. и нагрузке практически одинаков, практически одинаково и магнитное сопротивление Rм. Однако при х.х. в трансформаторе действует только одна МДС х.х. первичной обмотки F0=i0w1, и можно записать F0=Uм (1.14) Приравнивая левые части выражений (1.13) и (1.14), получаем i1w1+i2w2=i0w1. (1.15) Если токи представляют собой синусоидальные функции времени, то уравнение равновесия МДС (1.15) можно записать в комплексной форме Ì1w1+ Ì2w2= Ì0w1 (1.16) или Ì1w1=Ì0 w1+(- Ì2w2). (1.17) Как видно из (1.17), первичная МДС имеет две составляющие: I0w0 - намагничивающую, необходимую для проведения основного магнитного потока Ф0 по магнитопроводу; и (-I2w2) - необходимую для компенсации размагничивающего действия вторичной обмотки, т.е. передачи энергии с первичной на вторичную сторону трансформатора. 5. Потери и КПД трансформатора. Потери и КПД трансформатора Трансформатор во время работы потребляет небольшое количество энергии из-за потерь в меди и в железе. Потери в железе не зависят от нагрузки, а потери в меди пропорциональны нагрузке трансформатора. Потери в железе (Pr) являются суммой потерь на гистерезис (Ph) и потерь на вихревые токи (Pr). Потери на нагрев обмоток (потери в меди Pk) вызваны выделением тепла на сопротивлениях первичной и вторичных обмоток трансформатора R1 и R2 при протекании через них токов I1 и I2. Потери в меди можно посчитать по формуле: Pk = (I12 x R1) + (I22 x R2) Эффективность или КПД η трансформатора определяется отношением выходной мощности P2 к его входной мощности P1: η = P2 / P1 Вторичное напряжение трансформатора указывается при номинальной нагрузке. Если нагрузка вторичной обмотки меньше номинальной или вообще отсутствует, падение напряжения на сопротивлении обмотки меньше, из-за чего выходное напряжение вторичной обмотки больше номинального. Разница между напряжением вторичной обмотки под нагрузкой и напряжением её без нагрузки зависит от типа и конструкции трансформатора, и может быть от 5 до 25 %. Эта разница больше для трансформаторов меньшего размера, и нормируется в стандарте. Однако для специальных применений разница напряжений вторичной обмотки под нагрузкой и на холостом ходу может быть минимизирована на этапе проектирования трансформатора. 6. Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора. В общем случае параметры первичной обмотки трансформатора отличаются от параметров вторичной обмотки. Эта разница наиболее ощутима при больших коэффициентах трансформации, что затрудняет расчеты и построение векторных диаграмм, так как в этом случае векторы электрических величин первичной обмотки значительно отличаются по своей длине от одноименных векторов вторичной обмотки. Указанные затруднения устраняются приведением всех параметров трансформатора к одинаковому числу витков, обычно к числу витков первичной обмотки w1. С этой целью все величины, характеризующие вторичную цепь трансформатора, — ЭДС, напряжение, ток и сопротивления — пересчитывают на число витков w1первичной обмотки. Таким образом, вместо реального трансформатора с коэффициентом трансформации k = w1/w2получают эквивалентный трансформатор с k=w1/w’2=1, где w’2=w1. Такой трансформатор называют приведенным. Однако приведение вторичных параметров трансформатора не должно отразиться на его энергетических показателях: все мощности и фазовые сдвиги во вторичной обмотке приведенного трансформатора должны остаться такими, как и в реальном трансформаторе. Так, электромагнитная мощность вторичной обмотки реального трансформатора Е2I2должна быть равна электромагнитной мощности вторичной обмотки приведенного трансформатора:  (1.27)Подставив значение приведенного тока вторичной обмотки I2= I2(w2/w1,) в (1.27), получим формулу приведенной вторичной ЭДС:  (1.28)Так как U2I2 ≈U’2I’2, то приведенное напряжение вторичной обмотки  (1.29)Из условия равенства потерь в активном сопротивлении вторичной обмотки имеем  . Определим приведенное активное сопротивление: (1.30)Приведенное индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки определяют из условия равенства реактивных мощностей  ,откуда (1.31)Приведенное полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора  (1.32)Приведенное полное сопротивление нагрузки, подключенной на выводы вторичной обмотки, определим по аналогии с (1.32):  (1.33)Уравнения напряжений и токов для приведенного трансформатора имеют вид  (1.34)Эти уравнения устанавливают аналитическую связь между параметрами трансформатора во всем диапазоне нагрузок от режима х.х. до номинальной. 7. Внешняя характеристика трансформатора. В  нешней характеристикой трансформатора называют зависимость напряжения на вторичной обмотке  от тока нагрузки  при постоянном напряжении на первичной обмотке.Вид и параметры внешней характеристики зависят от характера нагрузки. При активно-емкостной нагрузке (  ) напряжение на выходе трансформатора может увеличиваться с увеличением тока. При других видах нагрузки (активной  или активно-индуктивной  ) напряжение на выходе всегда уменьшается с ростом тока.Причину этого явления поясняет векторная диаграмма на рисунке б). Здесь видно, что при постоянном токе вторичной обмотки и изменении характера нагрузки будет изменяться угол между векторами  и  . При этом треугольник векторов  и  будет вращаться вслед за вектором относительно точки конца вектора , а т.к. вектор напряжения на нагрузке  равен разности между и вектором, образующим гипотенузу треугольника - , то конец будет перемещаться по дуге окружности и, начиная с некоторого значения , его модуль станет больше модуля .Приближенно относительное изменение напряжения определяется как  , где  – коэффициент нагрузки трансформатора;  – номинальные значения токов и напряжения;  – активное и индуктивное сопротивления режима короткого замыкания.8. Опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора. 9. Трехфазный трансформатор, схемы соединения обмоток. 10. Группы соединения трансформаторов. 11. Условия включения трансформаторов на параллельную работу. 12. Автотрансформатор. 13. Трехобмоточный трансформатор. Трехобмоточный трансформатор: описание, схемы, мощность, обмотки (otransformatore.ru) Трехобмоточные трансформаторы — Студопедия (studopedia.ru) Трехобмоточные трансформаторы - ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ. СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ (studme.org) 14. Устройство машины переменного тока. Электрическая машина имеет статор и ротор, разделенные воздушным зазором (рис. 3.1). Активными частями ее являются магнитопровод и обмотки. Все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую жесткость, прочность, возможность вращения, охлаждения и т. п. Магнитопровод машины, по которому замыкается переменный магнитный поток, выполняют шихтованным — из листов электротехнической стали, как и у трансформатора. Если поток постоянный, то магнитопровод можно выполнять массивным; в этом случае он может осуществлять и конструктивные функции, т. е. служить элементом, обеспечивающим прочность данной части машины (статора или ротора). Так как в частях электрических машин магнитный поток замыкается по сложным контурам, отличным от прямолинейных, в них, как правило, применяется изотронная холоднокатаная сталь. Только для изготовления полюсов синхронных машин и крупных машин постоянного тока иногда применяется анизотропная холоднокатаная сталь, так как в полюсах направление магнитных линий совпадает с направлением прокатки, в котором магнитная проницаемость очень велика. Сердечники статоров и роторов асинхронных машин и якорей синхронных машин постоянного тока штампуют из изотронной рулонной холоднокатной стали, позволяющей при раскрое получать экономию порядка 10—15% по сравнению с листовой, вследствие чего листовая сталь применяется очень редко.  Рис. 3.1. Конструктивная схема вращающейся электрической машины: 1 — статор; 2 — обмотка статора; 3 — воздушный зазор; 4 — ротор; 5 — обмотка ротора; 6 — подшипники; 7 — подшипниковые щиты; 8 — вал ротора; 9 — вентилятор; 10 — станина В машинах малой мощности применяется сталь марки 2013, с низким содержанием кремния, достаточно вязкая, которая и позволяет получать мелкие пазы сложной конфигурации. В машинах средней и большой мощности применяют сталь марки 2212, 2311 и 2411, с повышенным содержанием кремния. Эти стали более хрупки, что затрудняет их штамповку, но имеют низкие потери на перемагничивание и не требуют отжига сердечников после штамповки. В микромашинах широко применяют также магнитопроводы, собранные из листов железоникелевых сплавов типа пермаллой. Статор асинхронных и большинства синхронных машин состоит из шихтованного магнитопровода (рис. 3.2, а), который запрессовывают в литую станину (рис. 3.2,6). Поскольку через массивную станину переменный магнитный поток не замыкается, станину можно выполнять из немагнитного материала (алюминия) или ферромагнитного с малой магнитной проницаемостью (чугуна), сравнительно дешевых и хорошо приспособленных к литейной технологии. На внутренней поверхности шихтованного статора, в пазах, располагают обмотку статора. Ротор асинхронной машины (рис. 3.2, в) обычно состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали. Сердечник запрессовывают на вал или втулку ротора (при больших размерах машины) и сжимают специальными нажимными шайбами. В пазах, размещенных на наружной поверхности ротора (сходных по форме с пазами статора), располагают обмотку ротора. В синхронных машинах ротор выполняют массивным, так как на нем расположены полюсы с обмотками возбуждения, магнитный поток которых неподвижен относительно ротора. При изготовлении листов ротора и статора в них штампуют пазы (рис. 3.3, а и б) для укладки проводников обмотки ротора и статора, а также вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха.  Рис. 3.2. Устройство статора и ротора машины переменного тока: 1 — пакет статора; 2 — станина; 3 — сердечник ротора; 4 — вал  Рис. 3.3. Листы ротора (а) и статора (б): 1 — лист ротора; 2 — зубец; 3- паз; 4 — вентиляционный канал; 5- отверстие под вал; 6- лист статора Конфигурация зубцов и пазов (рис. 3.4 и 3.5) зависит от типа машины и ее мощности. В машинах большой мощности обмотки статора и ротора выполняют из проводников прямоугольного сечения; в этом случае применяют открытые пазы прямоугольной формы, позволяющие наилучшим образом разместить проводники и обеспечить надежную их изоляцию. В машинах малой и средней мощности обмотки ротора и статора обычно выполняют из провода круглого сечения; в таких машинах применяют полузакрытые пазы овальной или трапецеидальной формы. В ряде случаев при проводниках прямоугольного сечения применяют полуоткрытые пазы, уменьшающие магнитное сопротивление слоя «зубцы — пазы -воздушный зазор» по сравнению с открытыми пазами. В микромашинах роторы часто имеют пазы круглой формы; при этом существенно упрощается и удешевляется изготовление штампов.  Рис. 3.4. Пазы ротора открытый (а), полуоткрытый (б) и полуза-крытый (в, г): 1- клин; 2- проводники; 3- изоляция слоя; 4- межслой-ная изоляция; 5 — пазовая изоляция Рис. 3.5. Пазы статора открытый (а), полуоткрытый (б) и полузакрытые (в): 1- проводники; 2 — изоляция слоя; 3 — межслойная изоляция; 4 — изоляция паза; 5 — клин  При укладке проводников в пазы дно и стенки покрывают изоляционным материалом (электрокартоном, лакотканью, миканитом и пр.). Проводники, а также их верхний и нижний слои тоже изолируют друг от друга. Чем выше напряжение, при котором работает машина, тем большую электрическую прочность должна иметь изоляция проводников от сердечника ротора или статора. Проводники укрепляют в пазах ротора и статора с помощью клиньев, а на роторе, кроме того, с помощью проволочных бандажей или стеклобандажей, которые наматывают на лобовые части его обмотки (части обмотки, выходящие из сердечника ротора). В некоторых случаях бандажи располагают и в нескольких местах вдоль сердечника ротора. Для подвода тока к обмотке ротора или подключения к ней реостата на роторе должны быть расположены контактные кольца: три кольца при трехфазном токе и два кольца при постоянном токе. Исключение составляют асинхронные машины с короткозамкнутым ротором, которым контактные кольца не требуются. Токосъем с контактных колец осуществляют с помощью щеток — прямоугольных брусков, изготовленных из смеси угля, графита и порошка металла (меди и свинца). Щетки устанавливают в специальных щеткодержателях и прижимают к контактной поверхности с помощью пружин. Электрические машины мощностью примерно до 2000 кВт имеют шариковые или роликовые подшипники, которые располагают в подшипниковых щитах. При больших мощностях применяют скользящие подшипники. Электрические машины переменного тока — асинхронные и синхронные, несмотря на различия в устройстве и конструкции, имеют много общего в принципе работы и теории. В этих машинах при прохождении по обмоткам статора или ротора переменного тока, синусоидально изменяющегося во времени, создается вращающееся магнитное поле. Это поле, в свою очередь, пересекает обмотки статора и ротора (или одну из них) и наводит в них переменную ЭДС. Общность физических процессов обусловливает общность теории и сходность конструкции многофазных обмоток переменного тока и принципов устройства статора асинхронной машины и якоря синхронной машины. 15. Обмотка статора машин переменного тока. Основные требования: Наименьший расход меди Удобство изготовления и наименьшие затраты Форма кривой ЭДС, производящаяся в обмоткеп статора, должна быть практически синусоидальна Основные параметры обмотки статора m - число фазных обмоток Z1 = общее число пазов сердечника (в 3х фазной Каждая фаза имеет Z/3 обмоток Каждая фазная обмтока представляет собой не замкнутую систему проводников. Основным элементом обмотки является катушка, состоящая из одного или нескольких витков. Элементы катушки расположенные в пазах - называют пазовыми сторонами. Если же элементы расположенны вне пазов и служат для соединения пазовох сторон - лобовые части |