Общие сведения об электроизмерительных приборах

Общие сведения об электроизмерительных приборах

Электроизмерительные приборы предназначены для измерения различных величин и параметров электрической цепи: напряжения, силы тока, мощности, частоты, сопротивления, индуктивности, емкости и других.

На схемах электроизмерительные приборы изображаются условными графическими обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.729-68. На рис. 1.1 приведены общие обозначения показывающих и регистрирующих приборов.

Рис. 1.1 Условные графические обозначения электроизмерительных приборов

Для указания назначения электроизмерительного прибора в его общее обозначение вписывают конкретизирующее условное обозначение, установленное в стандартах, или буквенное обозначение единиц измерения прибора согласно ГОСТ 23217-78 в соответствии с табл.1.1.

Таблица 1.1

Электромеханические измерительные приборы

По принципу действия электромеханические приборы подразделяются на приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, ферродинамической, индукционной, электростатической систем. Условные обозначения систем приведены в табл. 1.2. Наибольшее распространение получили приборы первых трех типов: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические.

Таблица 1.2

Рекомендация:

Для самоконтроля полученных знаний выполните тренировочные задания
из набора объектов к текущему параграфу

Области применения электромеханических приборов

Магнитоэлектрические приборы: щитовые и лабораторные амперметры и вольтметры; нулевые индикаторы при измерениях в мостовых и компенсационных цепях.

В промышленных установках переменного тока низкой частоты большинство амперметров и вольтметров ¾ приборы электромагнитной системы. Лабораторные приборы класса 0, 5 и точнее могут изготовляться для измерения постоянного и переменного токов и напряжения.

Электродинамические механизмы используются в лабораторных и образцовых, приборах для измерения постоянных и переменных токов, напряжений и мощностей.

Индукционные приборы на базе индукционных механизмов используют главным образом в качестве одно ¾ и трехфазных счетчиков энергии переменного тока. По точности счетчики подразделяются на классы 1, 0; 2, 0; 2, 5. Счетчик СО (счетчик однофазный) используют для учета активной энергии (ватт-часов) в однофазных цепях. Для измерения активной энергии в трехфазных цепях применяют двухэлементные индуктивные счетчики, счетный механизм которых учитывает киловатт-часы. Для учета реактивной энергии служат специальные индуктивные счетчики, имеющие некоторые изменения в устройстве обмоток или в схеме включения.

Активные и реактивные счетчики устанавливают на всех предприятиях для расчета с энергоснабжающими организациями за используемую электроэнергию.

Принцип выбора измерительных приборов:

1. Определяют расчетом цепи максимальные значения тока, напряжения и мощности в цепи. Часто значения измеряемых величин известны заранее, например, напряжение сети или аккумуляторной батареи.

2. В зависимости от рода измеряемой величины, постоянного или переменного тока, выбирают систему прибора. Для технических измерений постоянного и переменного тока выбирают соответственно магнитоэлектрическую и электромагнитную системы. При лабораторных и точных измерениях для определения постоянных токов и напряжений применяют магнитоэлектрическую систему, а для переменного тока и напряжения ¾ электродинамическую систему.

3. Выбирают предел измерения прибора таким образом, чтобы измеряемая величина находилась в последней, третьей части шкалы прибора.

4. В зависимости от требуемой точности измерения выбирают класс точности прибора.

Рекомендация:

Для самоконтроля полученных знаний выполните тренировочные задания
из набора объектов к текущему параграфу

Законы Ома и Кирхгофа

ЗАКОН ОМА

Ток на участке электрической цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален его сопротивлению. (рис. 2.1.а)).

I=U_R/R, I=E/(R+R_вт). (2.1)

ЗАКОНЫ КИРХГОФА

Соотношения между токами и э. д. с. в ветвях электрической цепи и напряжениями на элементах цепи, позволяющие произвести расчет электрической цепи, определяются двумя законами Кирхгофа (рис. 2.1, 2.2).

Рис. 2.2. Сложная одноконтурная электрическая цепь

Первый закон Кирхгофа отражает принцип непрерывности движения электрических зарядов, из которого следует, что все заряды, притекающие в любой узел электрической цепи, из него вытекают, т. е. не накапливаются в узле. Поэтому алгебраическая сумма токов в ветвях, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю, т. е.

, (2.2)

где n ¾ число ветвей, сходящихся в узле.

До написания уравнения (2.2) необходимо задать условные положительные направления токов в ветвях, обозначив эти направления на схеме стрелками. В уравнении (2.2) токи, направленные к узлу, записывают с одним знаком (например, с плюсом), а токи, направленные от узла, ¾ с противоположным (с минусом). Таким образом, для узла b схемы (рис. 2.1.б)) уравнение по первому закону Кирхгофа будет иметь вид

I₂ + I₅ - I₄ = 0.

Первый закон Кирхгофа может быть сформулирован иначе: сумма токов, притекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из узла.

Тогда уравнение для узла b (рис. 2.1.б)) будет записано так:

I₄ = I₂ + I₅.

Второй закон Кирхгофа определяет, что изменение потенциала во всех элементах контура в сумме равно нулю. Это значит, что при обходе контура abcda электрической цепи, показанной на рис. 2.2, в силу того, что потенциал точки а один и тот же, общее изменение потенциала в контуре равно нулю. Из этого следует, что алгебраическая сумма э. д. с. в любом контуре электрической цепи постоянного тока равна алгебраической сумме падений напряжений на всех элементах, входящих в этот контур, т. е.

, (2.3)

где n ¾ число источников э. д. с. в контуре; m ¾ число элементов (число ветвей) с сопротивлением R_k в контуре.

При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа предварительно задают условные положительные направления токов во всех ветвях электрической цепи и для каждого контура выбирают направление обхода. Если при этом направление э. д. с. совпадает с направлением обхода контура, то такую э. д. с. берут сo знаком плюс, если не совпадает ¾ со знаком минус (левая часть уравнения 2.3). Падения напряжений в правой части уравнения (2.3) берут со знаком плюс, если положительное направление тока в данном элементе цепи совпадает с направлением обхода контура, и со знаком минус ¾ если такого совпадения нет.

Для контура abcda, сопротивления ветвей которого включают в себя и внутренние сопротивления источников э. д. с., уравнение (2.3) принимает вид

E₁ - E₂ + E₃ = R₁ I₁ - R₂ I₂ + R₃ I₃ - R₄I₄.

Используя второй закон Кирхгофа, можно определять разность потенциалов (напряжение) между любыми двумя точками электрической цепи.

Для одноконтурной схемы (рис. 2.1.а)) в соответствии с уравнением (2.3) можно записать Е = R´ I = U_R. Но вместо э. д. с. Е при обходе контура по направлению тока можно взять напряжение на зажимах источника э. д. с., которое направлено противоположно направлению обхода контура, в результате чего получим U_R - U = 0 или U = U_R.

Следовательно, второй закон Кирхгофа можно cформулировать в таком виде: сумма падений напряжений на всех элементах контура, включая источники э. д. с., равна нулю, т. е.

Если в ветви имеется n последовательно соединенных элементов с сопротивлением k-го элемента R_k, то

т. е. падение напряжения на участке цепи или напряжение между зажимами ветви U, состоящей из последовательно соединенных элементов, равно сумме падений напряжений на этих элементах.

Рекомендация:

Для самоконтроля полученных знаний выполните тренировочные задания
из набора объектов к текущему параграфу

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Широкое применение в электрических цепях электро-, радио- и других установок находят периодические э. д. с., напряжения и токи. Периодические величины изменяются во времени по значению и направлению, причем эти изменения повторяются через некоторые равные промежутки времени Т (рис. 5.1), называемые периодом.

На практике все источники энергии переменного тока (генераторы электростанций) создают э. д. с., изменяющуюся по синусоидальному закону (рис. 5.1, д).

Рис. 5.1. Переменные периодические э. д. с. различной формы:
а ¾ прямоугольный; б ¾ трапецеидальной; в ¾ треугольной;
г ¾ произвольной; д ¾ синусоидальной

Основное преимущество такого закона изменения э. д. с. и напряжения заключается в том, что в процессе передачи электроэнергии на большие расстояния (сотни и тысячи километров) от источника до потребителя при многократной трансформации (изменении) напряжения временная зависимость напряжения остается неизменной, т. е. синусоидальной.

Синусоидальные э. д. с. напряжения и токи начали широко применять в электротехнике во второй половине ХХ века. В настоящее время практически вся вырабатываемая электроэнергия является энергией синусоидального тока. Лишь некоторую долю этой электроэнергии при использовании преобразуют в энергию постоянного тока.

Любая периодическая величина имеет ряд характерных значений. Максимальное значение или амплитуду э. д. с., напряжения и тока обозначают соответственно Е_m, U_m, I_m. Значение периодически изменяющейся величины в рассматриваемый момент времени называют мгновенным ее значением и обозначают е, u, i ¾ э. д. с., напряжение и ток соответственно. Максимальное значение ¾ частный случай мгновенного значения.

Величина, обратная периоду, т. е. число полных изменений периодической величины за 1 с, называется частотой:

f = 1/T. (5.1)

Частоту выражают в герцах (Гц). Во всех энергосистемах России и других европейских стран в качестве стандартной промышленной частоты принята f = 50 Гц, в США и Японии f = 60 Гц. Это обеспечивает получение оптимальных частот вращения электродвигателей переменного тока и отсутствие заметного для глаза мигания осветительных ламп накаливания.

Некоторые электротехнические устройства работают при более высокой частоте. Повышенная частота (обычно 175-200, 400 Гц) позволяет снизить вес электродвигателей, применяемых для привода электроинструмента и средств автоматики. В установках сквозного нагрева металлов для горячей штамповки и ковки применяют частоту от 500 до 10 000 Гц, а в установках поверхностного нагрева металлов ¾ от 2000 до 10⁶ Гц. В радиотехнических устройствах применяют частоты от 10⁵ до 3 ´ 10¹⁰ Гц.

Находят применение также синусоидальные токи пониженной частоты. Частоту f = 5-10 Гц применяют в металлургической промышленности.

Электрические цепи, в которых действуют синусоидальные э. д. с. и токи, называются электрическими цепями синусоидального тока. К ним относятся понятия схемы цепи, контура, ветви и узла, которые были даны ранее для цепей постоянного тока.

Рекомендация:

Для самоконтроля полученных знаний выполните тренировочные задания
из набора объектов к текущему параграфу

МОЩНОСТЬ ТРеХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ

Мгновенное значение мощности отдельной фазы или, фазной мощности, определяется так же, как мощность однофазной цепи, произведением мгновенных значений фазных напряжений и тока:

(11.1)

При симметричной системе фазных напряжений

В общем случае несимметричной нагрузки фазные токи равны соответственно

Подставляя в формулы (11.1) выражения для фазных напряжений и токов, получим значения фазной мощности для каждой фазы:

(11.2)

Постоянные составляющие мгновенных значений фазных мощностей, т. е. активные фазные мощности

Активная мощность трехфазного приемника равна сумме активных мощностей фаз:

При симметричной системе напряжений (U_A= U_В = U_c= U_ф) и симметричной нагрузке (I_А = I_В = I_С = I_ф; j_А= j_В = j_С= j_ф) фазные мощности равны (Р_А= Р_В = Р_С= Р_ф = U_ф I_ф соsj). Активная Мощность трехфазного приемника в этом случае

Мощность трехфазного приемника всегда удобнее вычислять через линейные напряжение и ток, так как линейные величины всегда легче измерять. Принимая во внимание, что при соединении фаз приемника звездой , а при соединении треугольником ( ), формула примет вид:

(11.3)

Эта формула справедлива как для соединения звездой, так и для соединения треугольником, но только если приемник симметричен. При этом надо помнить, что угол j является углом сдвига фаз между фазными напряжением и током.

При симметричном приемнике его полная трехфазная мощность

а реактивная мощность

Сумма переменных составляющих мгновенных значений фазных мощностей в уравнениях (11.2) при симметричном, приемнике равна нулю, так как они имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе друг относительно друга на 2p/3. Поэтому сумма мгновенных значений фазных мощностей в этом случае равна сумме их постоянных составляющих и остается все время постоянной, равной активной мощности трехфазного приемника.

Рекомендация:

Для самоконтроля полученных знаний выполните тренировочные задания
из набора объектов к текущему параграфу

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ. ЗАКОНЫ КОММУТАЦИИ

В предыдущих темах было показано, что если к цепи приложено постоянное напряжение U, то в цепи протекает постоянный ток I = U/R, а если к цепи приложено синусоидальное напряжение u = U_msinwt, то в цепи с постоянными параметрами протекает синусоидальный ток i = I_msin(wt- j). Такие токи устанавливаются лишь через некоторое время после включения цепи или после изменения ее параметров и могут существовать все время, пока к ней приложено напряжение и параметры остаются неизменными.

Эти токи называются установившимися токами, а соответствующие напряжения на отдельных участках цепи ¾ установившимися напряжениями. Каждому установившемуся режиму электрической цепи соответствует строго определенное энергетическое состояние, т. е. определенные значения энергии электрического поля конденсатора и магнитного поля индуктивной катушки:

Любое изменение состояния электрической цепи (включение, отключение, изменение параметров цепи и др.) называется коммутацией.Будем считать, что процесс коммутации осуществляется мгновенно. Энергетическое же состояние цепи не может измениться мгновенно.

Рис. 12.1. Схема анализа влияния коммутации

Пусть, например, в цепи (рис. 12.1) при разомкнутом выключателе В протекает установившийся ток I₁ = U / (R₁ + R₂), определяемый только сопротивлением R цепи. При замыкании выключателя, т. е. при шунтировании резистора R₁, установившийся ток в цепи

I₂ = U / R₂³ I₁.

Если предположить, что ток в цепи изменяется мгновенно от I₁ до I₂, то это будет означать, что в индуктивной катушке в этот момент времени переменным током индуцируется э. д. с. самоиндукции

Но любая э. д. с. самоиндукции препятствует изменению тока в цепи. Поэтому предположение о мгновенном изменении тока в цепи неверно. Только в идеальном случае, когда L = 0, можно рассматривать изменение тока как мгновенное.

Таким образом, ток в цепи с индуктивностью не может измениться скачком. В этом заключается первый закон коммутации.

Согласно второму закону коммутации, напряжение на зажимах конденсатора или другого емкостного элемента не может измениться скачком.

Индуктивные и емкостные элементы являются инерционными, вследствие чего для изменения энергетического состояния электрической цепи требуется некоторый промежуток времени, в течение которого происходит переходный процесс. Длительность переходного процесса, как будет показано далее, зависит от параметров цепи. Хотя такой процесс обычно длится несколько секунд или даже доли секунды, токи и напряжения в это время на отдельных участках цепи могут достигать очень больших значений, иногда опасных для электроустановок. Поэтому нужно уметь рассчитывать токи и напряжения переходных процессов и на основании этих расчетов разрабатывать меры защиты электрической цепи.

Как и любой динамический процесс в материальных системах переходный процесс в электрических цепях описывается дифференциальным уравнением. Режим линейных электрических цепей с постоянными параметрами R, L и С описывается линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами. Так, режим цепи синусоидального тока при последовательной соединении элементов R, L и С и напряжении источника питания u = U_msinwt описывается дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами

(12.1)

Полное решение такого неоднородного линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами ищут в виде

где i' ¾ частное решение данного неоднородного уравнения;

i'' ¾ общее решение однородного дифференциального уравнения.

Ток i' поддерживается в цепи напряжением источника питания и является установившимся током. Ток i» находят при решении уравнения без свободного члена. Физически это означает, что приложенное к цепи напряжение, равно нулю, т. е. цепь представляет собой замкнутый контур, состоящий из последовательно соединенных элементов R, L и С. Ток в такой цепи может поддерживаться только за счет запасов энергии в магнитном поле индуктивной катушки или в электрическом поле конденсатора. Так как эти запасы ограничены и при протекании тока i» по элементам с сопротивлением R происходит рассеяние энергии в виде теплоты, то через некоторое время этот ток становится равным нулю.

Ток i''называется свободным, так как его определяют в свободном режиме цепи.

Таким образом полное решение дифференциального уравнения позволяет определить ток i в цепи в переходном режиме или напряжение на элементах цепи u = u' + u''.

Рекомендация:

Для самоконтроля полученных знаний выполните тренировочные задания
из набора объектов к текущему параграфу

Назначение трансформаторов

Трансформатором называется статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Обычно приемники электроэнергии расположены на некотором расстоянии от электростанций. Иногда эти расстояния измеряются сотнями и тысячами километров. Генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию напряжением 10-20 кВ. Энергия большой мощности при небольшом значении напряжения может быть передана только при большом значении тока. Для этого требуются провода больших сечений, иначе потери мощности P_n=3I²R₀L(R₀¾ сопротивление 1 км линии передачи, Ом/км; L¾ длина линии, км) будут большими. Чем больше мощность и длина линии передачи, тем больше потери мощности. При некоторых значениях Sи Lпередача электроэнергии становится экономически невыгодной.

Если ту же самую мощность передавать при более высоком напряжении, то уменьшится. Такое изменение напряжения при практически неизменной передаваемой мощности осуществляется с помощью трансформатора. Трансформаторы могут повышать напряжение генераторов электростанций до 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.

На местах потребления электроэнергии напряжение должно быть понижено до такого уровня, которое является номинальным для электроприемников (220, 380 В и т. д.). Для этой цели также используют трансформаторы.

Первые идеи создания трансформатора принадлежали талантливому русскому изобретателю П. Н. Яблочкову (1878). Быстрое развитие трансформаторостроения началось тогда, когда М. О. Доливо-Добровольским была разработана трехфазная система тока (188-91890). Им же была предложена конструкция трехфазного трансформатора.

Трансформаторы применяются в установках электросварки, в радио- и телеустановках, в системах автоматического управления, связи и др. В этих случаях трансформаторы преобразуют напряжение одного уровня в напряжение другого уровня, которое требуется для питания данного элемента установки и отличается от напряжения, источника питания.

Область применения трансформаторов очень широка, чем и объясняются их конструктивное разнообразие и большой диапазон мощностей (от долей вольт-ампер до сотен мегавольт-ампер).

Рекомендация:

Для самоконтроля полученных знаний выполните тренировочные задания
из набора объектов к текущему параграфу

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ

Магнитопровод трансформаторов изготовляют из стальных листов толщиной 0, 35-0, 5 мм. В настоящее время применяют два вида специальной электротехнической стали: горячекатаную сталь с высоким содержанием кремния или холоднокатаную сталь. Последняя имеет лучшие магнитные характеристики в направлении прокатки.

Стальные листы изолированы друг от друга бумажной, лаковой изоляцией (толщиной 0, 04-0, 6 мм) или окалиной, что позволяет уменьшить потери мощности в магнитопроводе за счет того, что вихревые токи замыкаются в плоскости поперечного сечения отдельного листа (рис. 14.2). Чем меньше толщина листа, тем меньше сечение проводника, по которому протекает вихревой ток I_в, и тем больше его сопротивление. В результате вихревой ток и потери мощности на нагрев магнитопровода уменьшаются.

Рис. 14.2. Вихревые токи в магнитопроводе из стальных листов

По типу или конфигурации магнитопровода трансформаторы подразделяют на стержневые и броневые. В стержневых трансформаторах обмотки, насаженные на стержень магнитопровода, охватывают его (рис. 14.3, а).

Рис. 14.3. Типы однофазных трансформаторов:
а ¾ стержневой; б ¾ броневой; 1 ¾ стержень, 2 ¾ ярмо, 3 ¾ обмотки

В броневых трансформаторах магнитопровод частично охватывает обмотки и как бы «бронирует» их (рис. 14.3, б). Горизонтальные части магнитопровода, не охваченные обмотками, называются нижним и верхним ярмом.

Трансформаторы большой и средней мощности обычно изготовляют стержневыми, так как они проще по конструкции, имеют лучшие условия для охлаждения обмоток, что особенно важно в мощных трансформаторах, имеющих большие габариты. Магнитопровод таких трансформаторов набирается из отдельных пластин прямоугольной формы (рис. 14.4, а). Трансформаторы малой мощности могут иметь магнитопровод, собранный из пластин, выполненных в форме буквы Ш, и прямоугольных полос (рис. 14.4, б).

Рис. 14.4. Схемы сборки магнитопроводов трансформаторов:
а ¾ из отдельных пластин прямоугольной формы; б ¾ из пластин в форме буквы «Ш» и прямоугольных полос

Для уменьшения магнитного сопротивления их набирают так, чтобы стыки пластин в двух соседних слоях были в разных местах. Аналогично выполняют магнитопроводы с двумя стержнями.

Риc. 14.5. Поперечные сечения стержней трансформаторов:
а ¾ квадратное, б ¾ ступенчатое

Стержни магнитопровода имеют квадратное или ступенчатое поперечное сечение (рис. 14.5), что позволяет при заданном значении магнитного потока или мощности уменьшить габаритные размеры обмотки, а значит, и всего трансформатора. Ярмо обычно имеет квадратное сечение.

Магнитопровод броневого типа применяется для сухих трансформаторов малой мощности. Наружные броневые стержни этого магнитопровода частично защищают обмотки трансформатора от механических повреждений.

Магнитопроводы стержневых и броневых трансформаторов малой мощности можно навивать из узкой ленты электротехнической стали (рис. 14.6).

Рис. 14.6. Ленточные магнитопроводы:
а ¾ стержневой; б ¾ броневой; в ¾ кольцевой

Это позволяет уменьшить воздушные зазоры в магнитопроводе и снизить магнитное сопротивление, а следовательно, и ток холостого хода. В большинстве случаев ленточные магнитопроводы разрезают, чтобы на них легче было посадить заранее намотанные обмотки. Затем половинки магнитопроводов соединяют.

В трансформаторах, работающих при высокой частоте, магнитопроводы изготовляют из порошковых материалов (пермаллой, ферриты).

Обмотки трансформаторов обычно выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Для лучшей магнитной связи между обмотками их стремятся расположить как можно ближе друг к другу. Показанное на рис. 14.1, а расположение обмоток на разных стержнях удобно для анализа принципа действия трансформатора. В действительности же обмотки (первичную и вторичную) располагают на одних и тех же стержнях, разделив каждую из них пополам (см. рис. 14.3, а). Половинки обмоток соединяют последовательно или параллельно. Использование двух стержней позволяет приблизить обмотки к ним и тем самым при заданном числе витков уменьшить средний радиус обмоток и расход проводов. Обмотки изолируют как от стержня и ярма магнитопровода, так и друг от друга. В качестве изоляции применяют электротехнический картон, специальную бумагу или ткань, пропитанную лаком.

По расположению обмоток относительно друг друга различают концентрические, изготовленные в виде цилиндров (см. рис. 14.3), и чередующиеся, когда каждая из обмоток (1, 2) состоит из нескольких частей (секций) в виде дисковых катушек, расположенных друг за другом по высоте стержня (рис. 14.7).

Рис. 14.7. Чередующаяся (дисковая) обмотка броневого трансформатора:
1 ¾ обмотка низшего напряжения; 2 ¾ обмотка высшего напряжения

В трансформаторах малой мощности обычно применяют концентрические обмотки, намотанные из провода круглого сечения. В трансформаторах средней мощности используют одно- или многослойные концентрические обмотки в виде цилиндров, выполненные из проводов прямоугольного сечения. В трансформаторах большой мощности концентрические обмотки состоят из последовательно соединенных дисковых спиральных катушек. Между ними есть горизонтальные каналы для охлаждающей жидкости. Чередующиеся обмотки применяют в основном в броневых трансформаторах. При этом ближе к ярму находится обмотка низшего напряжения.

По способу охлаждения трансформаторы подразделяются на сухие и масляные. Сухие трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение, которое может быть использовано только для трансформаторов малой мощности. При увеличении мощности повышаются интенсивность тепловыделения и нагрев обмоток. Чтобы обеспечить допустимую для изоляции температуру нагрева, применяют более интенсивные способы отвода теплоты. Для этого магнитопровод с обмотками помещают в специальный бак (кожух), заполненный трансформаторным маслом. Масло является одновременно и изолирующей, и охлаждающей средой. Интенсивность охлаждения обеспечивается хек за счет большей по сравнению с воздухом теплопроводности, так и за счет того, что поверхность бака по сравнению с поверхностью трансформатора значительно больше. Этот способ охлаждения называется естественным масляным охлаждением.

У трансформаторов средней мощности для большей интенсивности охлаждения баки делают трубчатыми (рис. 14.8).

Рис. 14.8. Бак трансформатора с трубчатым радиатором:
1 ¾ бак, 2 ¾ трубки радиатора, 3 ¾ выводы обмотки низшего напряжения,
4 ¾ выводы обмотки высшего напряжения, 5 ¾ расширитель

Трубы 2, вваренные в стенки бака, образуют радиатор, в котором масло циркулирует за счет конвекции. В трансформаторах большой мощности применяют специальные вентиляторы для обдува трубок радиатора воздухом и даже систему принудительного масляного охлаждения, когда охлаждающее масло насосами прогоняется через специальные теплообменники, которые, в свою очередь, охлаждаются водой или воздухом.

При работе трансформатора токи в обмотках не остаются постоянными. С изменением тока изменяется степень нагрева масла и, следовательно, его объем. Чтобы при этом поверхность соприкосновения масла с воздухом и его увлажнение были минимальными, применяют так называемые расширители 5, располагаемые выше бака трансформатора.

На крышке бака трансформатора располагаются изоляторы выводов обмоток, изготовленные из фарфора или стекла.

Рекомендация:

Для самоконтроля полученных знаний выполните тренировочные задания
из набора объектов к текущему параграфу

НАМАГНИЧИВАЮЩИЙ ТОК

Намагничивающим током называется ток, протекающий по первичной обмотке и создающий магнитный поток Ф трансформатора.

Как было показано в разд. 14.2, при подведении к первичной обмотке синусоидального напряжения u₁ по обмотке протекает ток i, создающий магнитный поток Ф, который, в свою очередь, индуцирует в первичной обмотке э. д. с. е₂. Пренебрегая активным сопротивлением первичной обмотки для схемы (рис. 1, б), можно написать уравнение по второму закону Кирхгофа:

(14.3)

откуда следует, что при синусоидальном напряжении u₁ э. д. с. е₁ также синусоидальна. Так как e₁ пропорциональна производной от магнитного потока Ф, то магнитный поток также изменяется во времени по синусоидальному закону.

Если магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток, является элементом, для которого характерна линейная зависимость между током i и потоком Ф, то, так как

ток изменяется также по синусоидальному закону.

Для магнитопровода из стали (без учета перемагничивания) зависимости Ф = ¦(i), или Ф = ¦(iw₁), соответствует кривая намагничивания, представленная на рис. 14.9, б.

Зависимость Ф = ¦(i) линейна только при малых значениях тока. При больших значениях i наступает магнитное насыщение и при дальнейшем увеличении тока прирост магнитного потока становится меньше. Зависимость i(t) в этом случае можно определить графическим путем, как это показано на рис. 14.9.

Рис. 14.9. Графическое определение намагничивающего тока при синусоидальном магнитном потоке:
а ¾ Ф = ¦(t), б ¾ Ф = ¦(i), в ¾ i = ¦(t)

В качестве примера рассмотрим построение точки 1 зависимости i(t) (рис. 14.9, в). Для момента времени находим магнитный поток Ф₁ (точка 1 на рис. 14.9, а). Переносим это значение на кривую намагничивания (точка на рис. 14.9, б). Здесь потоку Ф₁соответствует ток i₁. Далее находим точку 1 зависимости i(t) по координатам t₁ и i₁. Аналогично находим все остальные точки 2, 3, 4, 5. Порядок построения показан на рисунке стрелочками.

Из рис. 14.9, в видно, что зависимость i(t) несинусоидальна. Только в области малых значений ток изменяется по синусоидальному закону. Чем ближе значение i_к амплитудному, тем больше отклонение мгновенного значения тока от синусоидальной зависимости, причем функция i(t) носит ярко выраженный пиковый характер, в ней выделяется гармоника тока, третьего порядка.

Как известно, векторами можно изображать только синусоидальные величины. Поэтому для построения векторной диаграммы несинусоидальный намагничивающий ток нужно заменить эквивалентным синусоидальным. Таким образом, рассматривают такой синусоидальный ток, действующее значение которого равно действующему значению несинусоидального тока. Эквивалентный синусоидальный намагничивающий ток совпадает по фазе с синусоидальным магнитным потоком, так как реальный ток i(t) через нулевые и максимальные значения проходит одновременно с магнитным потоком. Действующее значение намагничивающего тока можно определить через его максимальное значение:

Рис. 14.10. Векторная, диаграмма первичной обмотки трансформатора с учетом намагничивающего тока

На рис. 14.10 построена векторная диаграмма цепи первичной обмотки трансформатора. За начальный вектор принят вектор магнитного потока Ф. С ним по фазе совпадает вектор эквивалентного синусоидального намагничивающего тока . Вектор первичной э. д. с. отстает по фазе от вектора на угол p/2, а вектор первичного напряжения , как это следует из (3), противоположен по фазе вектору , так как =- . Как видно из диаграммы, намагничивающий ток является чисто реактивным индуктивным током.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒