Ускоренное обучение 100400

Ускоренное обучение 100400

Заочное обучение 180400

Классификация электрических машин

   Электрические машины, служат для взаимного преобразования механической и электрической энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами -– ГЕНЕРАТОРАМИ, преобразующими механическую энергию в электрическую. В процессе потребления электроэнергии происходит ее преобразование в другие виды энергии (механическую, тепловую и т.д.). Основное количество электроэнергии (70%) преобразуется в механическую и для этого используется ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ. Электрические машины применяются для преобразования рода тока (переменного в постоянный, частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого. Такие машины называются ЭЛЕКТРОМАШИННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.

   Электрическая машина имеет две основные части – вращающуюся, называемую ротором, и неподвижную – статор.

 

Рис. 1. Конструктивная схема вращающейся электрической машины:

1- статор, 4- ротор, 6- подшипники

 

   К электрическим машинам относят также трансформатор. Хотя он не является электрической машиной (не имеет движущихся частей), его теория изучается в курсе электрических машин, т.к. основные соотношения между величинами в рабочем процессе трансформатора, применимы к электрическим машинам.

   Различают машины переменного и постоянного тока, в зависимости от того, какой ток они генерируют или потребляют.

Машины переменного тока разделяют на синхронные и асинхронные. В тех и других при работе возникает вращающееся магнитное поле. Ротор синхронной машины вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора асинхронной машины отличается от скорости вращения поля.

   Машины переменного тока бывают однофазные и многофазные (трехфазные часто); первые генерируют или потребляют однофазный ток, вторые – многофазный ток.

Машины постоянного тока, обычно, снабжаются коллектором, который служит для получения на щетках машины ЭДС, постоянно действующей в одном направлении. Коллектор – узел электрической машины, конструктивно        объединенный с ротором. Медные пластины (диски, кольца), скользят по неподвижным токосъемным щеткам, следовательно, осуществляется контакт в цепи.  В то же время коллектор служит для переключения токов в частях обмотки ротора (якоря) т.о., чтобы результирующая электромагнитных сил, получающихся от взаимодействия магнитного поля электромагнитов статора и токов в обмотке ротора, действовала на ротор в одном и том же направлении.

   Эта классификация неполная, т.к. электрических машин очень много по конструктивному исполнению и соотв. применению. В процессе обучения будем рассматривать другие электрические машины.

 

Трансформатор

Классификация трансформаторов

По назначению – силовые общего и специального назначения, импульсные, для преобразования частоты;

По виду охлаждения – с воздушным (сухие) и масляным (масляные) охлаждением;

По числу трансформированных фаз – однофазные и трехфазные;

По форме магнитопровода – стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

По числу обмоток на фазу – двухобмоточные, многообмоточные.

 

НАМАГНИЧИВАЮЩИЙ ТОК

Свойства магнитной системы трансформатора описываются магнитной характеристикой, представляющей собой графическое изображение зависимости магнитного потока Ф от МДС трансформатора  F или намагничивающего тока I_μ , пропорционально МДС F. Вообще свойства электрических машин часто изображают графически, т.к. многие зависимости имеют сложное аналитическое выражение.

Магнитная характеристика трансформатора, как и других машин переменного тока, дает связь между амплитудными или мгновенными значениями потока и МДС. Зависимость потока от тока можно получить экспериментальным или расчетным путем.

Магнитная цепь трансформатора рассчитывают на основе Закона полного тока. Для замкнутого контура магнитной цепи однофазного трансформатора:

F=F_СТ+F_Я+F₃  ,                                             (12)

где F_СТ=H_СТl_СТ, F_я=Н_Яl_Я, F₃=Н₃l₃ - магнитные напряжения в стержнях, ярмах и стыках,

Н_СТ, Н_Я, Н₃ – напряженности магнитного поля на этих участках магнитной системы,

l_СТ, l_Я, l₃ - средние длины магнитных линий.

Напряженности магнитного поля Н_СТ и Н_Я определяют в зависимости от магнитной индукции в стержнях и ярмах по экспериментальным данным для электротехнических сталей, из которых выполнены участки магнитной цепи.

Строят магнитную характеристику трансформатора Ф=f(F)

Отличительная особенность от других электрических машин – отсутствие начального линейного участка.

Величину и форму кривой намагничивающего тока трансформатора определяют графически.

В левом верхнем квадранте – синусоидальная кривая изменения магнитного потока во времени, а в правом верхнем кривая намагничивания трансформатора, в котором МДС заменена пропорциональна ей током . В правом нижнем квадранте показана искомая зависимость изменения во времени намагничивающегося тока. Эта кривая несинусоидальна, т.к. зависимость между  и Ф - нелинейна. Чем сильнее насыщение магнитной системы, тем больше выражена несинусоидальность намагнивающего тока.

Действующее значение намагничивающеого тока

       (13)

где α, β, γ - коэффициент, показывающий относительное содержание высших гармоник в кривой тока. Для практических расчетов ограничиваемся учетом 3 и 5 гармоник.

При индукциях Вм=1, 6..1, 65Тл, применяющихся в магнитопроводах из холоднокатаных сталей принимают I_μ ≈ I_{μ 1} (действующее значение его первой гармоники), что позволяет изображать вектором намагничивающий ток  на диаграмме трансформатора.

Ток ХХ. Намагничивающий ток  является главной составляющей тока холостого хода трансформатора I₀. Этот ток является реактивным, т.е. . Но реальный трансформатор в режиме х.х. потребляет от источника переменного тока некоторую активную мощность, т.к. при переменном потоке в стальном магнитопроводе возникают потери энергии от гистерезиса и вихревых токов Δ P_M. Поэтому ток ХХ имеет активную составляющую , обеспечивающую поступление в первичную обмотку мощности, компенсирующей магнитные потери (электрическими потерями в первичной обмотке в этом режиме можно пренебречь из-за малости тока х.х.) следовательно, ток холостого тока

                                                (14)

На практике активная составляющая тока I_оа не превышает 10% от тока I_о, следовательно она оказывает малое влияние на значение тока х.х.. Форма кривой тока х.х определяется в основном кривой намагничивающего тока.

 

  Комплексные уравнения и векторные диаграммы трансформатора. Схемы замещения

 

В реальном трансформаторе кроме основного магнитного потока Ф, который замыкается по стали и сцеплен со всеми обмотками трансформатора, имеются также потоки рассеяния Ф_{σ 1} и Ф_{σ 2}, сцепленные только с одной из обмоток.

Потоки рассеяния не участвуют в передаче энергии, но создают в каждой из обмоток соответствующие ЭДС самоиндукции.

С учетом этих ЭДС и падений напряжения в активных сопротивлениях обмоток можно составить комплексные уравнения для первичной и вторичной обмоток трансформатора

С учетом  получаем систему уравнений:

где  - сопротивление нагрузки, подключенной к трансформатору.

Т.к. потоки рассеяния полностью или частично замыкаются по воздуху, то они пропорциональны МДС соответствующих обмоток или соответствующими токами:

величины х₁ и х₂ называют индуктивными сопротивлениями обмоток трансформатора, обусловленными потоками рассеяния.

Т.к. векторы ЭДС  отстают от соответствующих потоков и токов на 90⁰, то

При этом комплексные управления трансформатора примут вид

Замена ЭДС  падениями напряжений  показывает значение потоков рассеяния: они создают индуктивные падения напряжений в обмотках, не участвуя в передаче энергии из одной обмотки в другую.

Проще становится и построение векторной диаграммы соответствующей системе уравнений, в которой целесообразно также заменить падение напряжения в нагрузке величины , т.е. вторичным напряжением трансформатора из формулы 2

                                 (4)

Векторную диаграмму вторичной обмотки трансформатора строим согласно уравнению 4. Характер диаграммы определяется током нагрузки , которая принимается заданным по величине и фазе. Итак, задаваясь векторами вторичного тока .(например для активно-индуктивной нагрузки)

 

МДС  оказывает своей реактивной составляющей  на магнитопровод размагничивающее действие:

 - реактивная составляющая тока нагрузки.

Построение диаграммы начинаем с вектора максимального значения основного магнитного потока . Вектор тока  опережает по фазе вектор потока  на угол γ =5..10⁰. Вектор  как и  отстают от потока на 90⁰. [  - приведенная вторичная ЭДС ]. Для определения угла сдвига фаз между  и  определим характер нагрузки трансформатора: ( ) активно-индуктивная, тогда вектор  отстает по фазе от  на угол , определяемый как характером внешней нагрузки, так и собственным сопротивлением вторичной обмотки.

Чтобы построить  из вектора  вычитаем  Построив вектор  получили треугольник внутренних падений напряжения во вторичной цепи. Затем из т.О проводим вектор , который опережает по фазе ток  на угол .

Вектор первичного тока строили как сумму . Строим , для чего к вектору , опережающему по фазе вектор потока Ф_m на 90⁰, прибавляем векторы внутренних падений напряжения первичной обмотки: вектор ,  опережает на 90⁰, Соединяя таким образом с концом вектора  получим вектор , который опережает вектор  на φ ₁. Когда векторная диаграмма трансформатора строят с целью определения ЭДС, то заданными являются параметры U₂, I₂, Cosφ ₂. Зная  определяют  и строят векторы, под фазовым углом φ ₂.

Т.к. ток  отстает по фазе от ЭДС  на угол φ ₂, то в случае активно-емкостной нагрузки, когда  и ток нагрузки  опережает по фазе ЭДС  на угол φ ₂. Векторная диаграмма имеет вид отличный от акт-инд. нагрузки.

При значительной емкостной составляющей нагрузки падение напряжения в емкостной составляющей сопротивления нагрузки и индуктивное падение напряжение рассеяния во вторичной обмотке частично компенсируют друг друга. В результате  может оказаться больше . Реактивная составляющая вторичного тока  совпадает по фазе с реактивной составляющей тока х.х. , т.е. оказывает на магнитопровод подмагничивающее действие.

 

Составление схемы замещения

Трансформатор можно представить некоторой электрической схемой замещения. По этой схеме определяют токи  и , мощность Р₁, забираемую из сети, мощность потерь и т.п.

Систему уравнений 1, 2, 3, описываемые электромагнитные процессы в трансформаторе можно свести к одному уравнению, если учесть, что Е₁= кЕ₂ и   (5), при этом параметры R_m и X_m, следует выбрать так, чтобы в режиме ХХ когда , ток   (6) по модулю равнялся действующему значению I_XX, а его мощность  - мощности, забираемой трансформатором из сети при ХХ.

Решив систему уравнений 1, 2, 3 относительно .

           (7)

В соответствии с уравнением (7) трансформатор можно заменить схемой замещения.

а, б – точки соединения первичной и вторичной обмоток.

Эквивалентное сопротивление этой схемы ,

где

Сопротивление  (и его составляющие ), а также  называют соответственно сопротивлениями вторичной обмотки и нагрузки, приведенными к первичной обмотке. Аналогично называют значения ЭДС и тока:

Полная мощность приведенного контура вторичной обмотки в схеме замещения равна мощности вторичной обмотки реального трансформатора:

Мощность электрических потерь в приведенном вторичном контуре этой схемы равна мощности потерь во вторичной обмотке реального трансформатора:

.

Относительные падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях приведенного вторичного контура тоже остаются неизменными как в реальном трансформаторе.

 

 

Энергетическая диаграмма

КПД. При передаче энергии из первичной обмотки во вторичную возникают электрические потери мощности в активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток ∆ P_ЭЛ1 и ∆ P_ЭЛ2, а также магнитные потери в стали магнитопровода ∆ Р_М (от вихревых токов и гистерезиса).

   Процесс передачи энергии в трансформаторе характеризует энергетическая диаграмма.

В соответствии с диаграммой мощность, отдаваемая трансформатором нагрузке

∆ P₂=Р₁ - ∆ P_ЭЛ1 - ∆ P_ЭЛ2 - ∆ P_М, где

Р₁ – мощность, поступающие из сети в первичной обмотку.

Мощность P_ЭМ=Р₁ - ∆ P_ЭЛ1 - ∆ P_М , поступающую во вторичную обмотку называют внутренней электромагнитной мощностью трансформатора. Она определяет габаритные размеры и массу трансформатора.

Коэффициент полезного действия трансформатора называют отношение отдаваемой мощности Р₂ к мощности Р₁

 или

 , где

∆ Р - суммарные потери в трансформаторе.

С учетом энергетической диаграммы.

Согласно ГОСТа потери мощности в трансформаторе определяют по данным опытов х.х. и к.з., т.к. в этих опытах трансформатор не отдает мощность нагрузке, следовательно, вся мощность поступающая в первичную обмотку, расходуется на компенсацию имеющихся в нем потерь.

При опыте холостого хода ток I₀ невелик и электрическими потерями мощности в первичной обмотке можно пренебречь. А магнитный поток практически равен потоку при нагрузке, т.к. его значение определяется приложенным к трансформатору напряжением. Магнитные потери в стали пропорционально квадрату значения магнитного потока следовательно магнитные потери в стали магнитопровода равны мощности, потребляемой трансформатором при ХХ и номинальное первичное напряжения, т.е. ∆ Р_М≈ Р₀

КПД трансформатора зависит от величины нагрузки (β ) и от характера нагрузки (Cosφ ₂)

Максимальное значение КПД соответствует нагрузке, при которой магнитные потери равны электрическим:  Отсюда значение коэффициента нагрузки, соответствует η _max

Обычно КПД трансформатора имеет max значение при β ^’=0.45÷ 0.65

Кроме КПД по мощности пользуются значением КПД по энергии, которая представляет собой отношения количества энергии отданной трансформатором потребителю W₂ (кВт ч) в течение года, к энергии, полученной им от питающей электросети W₁ за это же время

КПД трансформатора по энергии характеризует эффективность эксплуатации трансформации.

Автотрансформатор

Автотрансформатором называют такой трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения электрически (гальванически) связана с обмоткой высшего напряжения, т.е. у него обмотка низшего напряжения является частью обмотки ВН, причем она выполняется из проводников отличающихся по сечению от проводников другой части.

Принципиальная схема автотрансформатора:

Части Аа и аХ можно рассматривать как обмотки двухобмоточного трансформатора имеющие между собой и магнитную и электрическую связь.

Первичная обмотка АХ, к ней подведено напряжение U₁, вторичная – ах, причем Х и х зажимы объединены.

Т.к. в каждом витке обмотки индуцируется одинаковая ЭДС , то при холостом ходе напряжения на зажимах ах

где  - числа витков

К – коэффициент трансформации.

Ускоренное обучение 100400

Заочное обучение 180400

123456Следующая ⇒

Поделиться: