Лекция 10. Трансформаторы 1 страница

Тогда

. (9.8)

Умножим (9.8) на и проинтегрируем за время намагничивания. Тогда

Левая часть последнего выражения представляет количественную оценку энергии источника – W_Э, которая используется электромагнитным механизмом. Первое слагаемое правой части – энергию магнитного поля – W_М катушки с током. Эта энергия используется на выполнение работы по перемещению якоря. Второе слагаемое правой части представляет оценку энергии, затрачиваемой на нагрев провода намагничивающей обмотки – W_П. Учитывая это, перепишем последнее выражение в виде:

.

Раскроем выражение для W_M:

(9.9)

Напомним, что

,

а

где S – площадь поперечного сечения магнитопровода, l_З – длина воздушного зазора.

Подставляя в выражение для W_М значения ψ и , получим:

. (9.10)

При перемещении якоря совершается работа:

,

где – энергия магнитного поля в начале намагничивания с длиной воздушного зазора , – энергия магнитного поля с длиной воздушного зазора , .

С учетом (9.10) можем записать:

Так как , то

где

(9.11)

Выражение (9.11) определяет силу F[кГ], с которой магнитное поле действует на якорь. Очевидно, что значение силы зависит от длины зазора - и от значения магнитодвижущей силы – .

Если к намагничивающей обмотке механизма подключен источник синусоидального напряжения, то и магнитный поток в магнитопроводе и в

воздушном зазоре изменяется по синусоидальному закону

.

В этом случае и сила, притягивающая якорь к ярму, становится переменной во времени. Ее мгновенное значение определяется выражением:

,

где

.

После преобразования последнего выражения получим:

. (9.12)

Видно, что тяговая сила содержит переменную и постоянную составляющую (рис. 9.4). Переменная составляющая имеет частоту, вдвое большую частоты питающего напряжения, и амплитуду, равную постоянной составляющей , относительно которой она изменяется.

Пульсация F(t) приводит к тому, что в течение интервалов времени 0 – t₁; t₂ – t₃; t₄ – t₅; и т. д. тяговая сила механизма становится меньше силы удерживающей пружины. Якорь отрывается от ярма. Возникает вибрация якоря (дребезг).

В однофазных электромагнитных механизмах для устранения пульса-ции на якоре размещают короткозамкнутый (КЗ) виток провода. Перемен ный магнитный поток Ф(t) наводит в КЗ витке Э.Д.С. самоиндукции. Фаза наведенной Э.Д.С. отстает от фазы магнитного потока Ф_М на угол 90⁰. Под

действием наведенной Э.Д.С. по витку протекает ток i_K, который создает поток Ф_КМ. Этот поток совпадает по фазе с Э.Д.С., но имеет частоту в четыре раза больше начальной.

Теперь на якорь начинает действовать пульсирующая сила с учетверенной частотой, т.е. cos 4wt. В итоге постоянная составляющая силы возрастает, пульсация уменьшается.

3.3 Электромагнитные реле

Электромагнитное реле - это устройство, в котором при достижении определенного значения входной величины выходная величина изменяется скачком. Управляющими величинами могут быть ток или напряжение. При достижении этими величинами заданных значений выходные контакты реле замыкаются или размыкаются. При замыкании контактов в управляемой цепи возникает ток (напряжение). При размыкании выходных контактов управляемая цепь обесточивается.

Реле применяют в цепях управления с током не более 1А. Входной или управляющей величиной реле могут быть как электрические, так и механические, тепловые и др. внешние воздействия. Широкое распространение получили электрические реле (электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические или индукционные).

На рис. 9.5. показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа. При определенном значении магнитодвижущей силы в цепи управления сила F притяжения якоря З к ярму 1 превышает силу противодействующей пружины 2. Воздушный зазор уменьшается. Клапан 4 нажимает на подвижный контакт 5 и прижимает его с силой F к неподвижному контакту 6. Управляемая цепь замыкается. Исполнительный элемент 7 производит требуемое действие.

Контакты реле в исходном положении могут быть как разомкнуты, так

и замкнуты. В последнем случае при срабатывании реле они размыкаются. Действие каких-либо устройств в управляемой цепи прекращается. Многие

реле имеют несколько контактных пар. Тогда их используют для управления

несколькими электрическими цепями.

Функции реле связаны с контролем режима работы важных элементов электрической цепи: генераторов, трансформаторов, линий передач, и т. п. При нарушении нормального режима работы какого либо элемента цепи соответствующее реле приводит в действие аппаратуру, которая либо восстанавливает нормальный режим работы, либо отключает поврежденный участок. Такие реле называют " реле защиты ". Они "наблюдают" за током в цепи (токовая защита), за напряжением на отдельных участках (защита по напряжению), за изменением мощности, частоты тока и т.д.

В зависимости от значения или направления входной величины различают реле максимального, минимального или направленного действия.

В зависимости от времени срабатывания различают реле быстродей-ствующие ), нормальные ) и с выдержкой времени (реле времени).

Реле, не реагирующее на направление управляющей величины (например, тока), называют нейтральными. Реле, чувствительные к полярности

управляющей величины, – поляризованными.

Если исполнительный элемент реле (подвижные контакты) непосредственно воздействует на цепь управления, то это реле прямого действия. Когда воздействие осуществляется через другие аппараты, то это реле косвенного действия.

Электромагнитные реле широко применяются в схемах электрооборудования транспортных машин и транспортно – технологических комплексов. Реле применяются для включения стартера, сигналов дальнего и ближнего света фар, электровентилятора в системе охлаждения двигателя, обогрева заднего стекла, отопителя, фароочистителей, отключения обмотки возбуждения генератора. Реле – прерыватели применяются в схемах контрольной лампы ручного тормоза.

По конструктивному исполнению реле разделяются на три группы: обычные, малогабаритные и специальные. В каждой из этих групп реле разделяются по напряжению – на 12 и 24В.

По схеме коммутации реле разделяются на замыкающие, размыкающие и переключающие, а по режиму работы на реле продолжительного и кратковременного режима.

Для удобства монтажа и замены на транспортных средствах, реле имеют штекерные выводы и устанавливаются в едином блоке с предохранителями. В сильноточных цепях с токами больше 50А используются контакторы на 12В и 24В с замыкающими контактами и на 24В с переключающими контактами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9.1. Как и почему воздушный зазор магнитопровода влияет на ток намагничивающей обмотки?

9.2. Изобразите ВАХ магнитопровода и поясните ее ход. Какое физическое явление положено в основу построения ферромагнитного стабилизатора?

9.3. Сформулируйте определение для устройства, называемого электрическим аппаратом.

9.4. Приведите классификацию электрических аппаратов.

9.5. Какие физические явления положены в основу работы электрических аппаратов?

9.6. Назовите обязательные составные части электрических аппаратов.

9.7. Приведите уравнение баланса энергии намагничивающей катушки электрических аппаратов.

9.8. В чем заключаются особенности работы электромагнитных механизмов переменного тока?

9.9. Отчего возникает и как устраняется вибрация якоря электромагнитного механизма переменного тока?

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ

Для практических целей трансформатор впервые был применен в 1876 году П.Н. Яблочковым. Он использовался в цепи питания электрических свечей. Широкое применение трансформаторы получили после того, как М.О. Доливо-Добровольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного

трансформатора (1891г.).

Под трансформатором понимают статическое (т.е. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины, но той же частоты.

Трансформатор состоит из двух и более обмоток, электрически изолированных друг от друга и охваченных общим магнитным потоком (рис. 10.1). Для усиления индуктивной связи между обмотками они размещаются на магнитопроводе. Передача энергии от источника к нагрузке происходит посредством переменного магнитного поля в магнитопроводе.

Магнитопроводы трансформаторов, предназначенных для работы в области низких частот, выполняют двух типов: пакетные и спиральные. Пакетные магнитопроводы состоят из тонких пластин ферромагнитного материала кольцевой, П или Ш - образной формы. Спиральные магнитопроводы изготавливают из тонкой ферромагнитной ленты в виде туго навитой часовой пружины. Пластины и отдельные витки спирали изолируют друг от друга лаком, жидким стеклом и т.п. веществами и запекают. Для уменьшения вихревых токов, магнитопроводы собирают из листовой электротехнической стали.

Под воздействием переменного тока в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф(t). В плоскости листа, перпендикулярной магнитному потоку, наводится Э.Д.С., которая вызывает ток, называемый вихревым. Вихревые токи по закону Ленца стремятся создать поток, встречный основному, что равноценно потерям энергии.

Потери на гистерезис и вихревые токи пропорциональны действующему значению приложенного к индуктивности напряжения

и обратнопропорциональны сопротивлению

.

Для уменьшения потерь увеличивают . В этих целях сердечник изготавливают из тонких листов высококачественного магнитомягкого материала. Часто потери на гистерезис и вихревые токи объединяют и называют потерями в стали – Р_С.

Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания, назы-вается первичной. Все величины, относящиеся к этой обмотке: число витков, напряжение, ток и т.д., – также именуются первичными. Их буквенные обозначения снабжаются индексом 1, например, (здесь применяются обозначения действующих значений тока и напряжения). Обмотка, к которой подключается нагрузка (потребитель электроэнергии) и относящиеся к ней величины, называются вторичными. Они снабжаются индексом 2.

Различают однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. У трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой принято называть соответственно совокупность трех фазных обмоток одного напряжения.

Основные условные графические обозначения однофазного (а, б) и

трехфазного (в, г) трансформаторов показаны на рис. 10.2.

На паспортном щитке трансформатора указывается его номинальное напряжение - высшее и низшее, в соответствии с чем следует различать обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН) трансформатора. Кроме того, на щитке указывается полная номинальная мощность (В×А или кВ×А), токи (А) при полной номинальной мощности, частота, число фаз, схема соединения, режим работы (длительный или кратковременный) и способ охлаждения (воздушный или масляный).

Если первичное напряжение U₁ трансформатора меньше вторичного U₂, то он работает как повышающий трансформатор; в противном случае (U₁> U₂) – как понижающий.

Одним из основных параметров трансформаторов является коэффици-ент полезного действия (КПД) – η. Его оценивают отношением активной мощности, передаваемой в нагрузку – Р₂, к активной мощности, поступающей в первичную обмотку трансформатора – Р₁, т. е.

η = Р₂/Р₁.

Как и любое техническое устройство, трансформатор имеет потери энергии. Это потери в стали – Р_С и потери в проводах – Р_ПР первичной и вторичной обмоток трансформатора. Распределение потерь наглядно демонстрирует энергетическая диаграмма рис. 10.3.

Следует подчеркнуть, что диаграмма иллюстрирует только качественную картину распределения потерь активной мощности на элементах конструкции трансформатора. Количественно потери составляют единицы процентов от общей мощности. Трансформаторы обладают очень высоким КПД, значение которого, для мощных силовых трансформаторов достигает 99%.

Трансформаторы играют важную роль в электроэнергетических системах. Они осуществляют многоступенчатую трансформацию напряжений, обеспечивая экономичную передачу электроэнергии. Число ступеней трансформации практически совпадает с сеткой номинальных напряжений: 0,22; 0,38; 0,66; 1,0; 3,0; 6,0; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 350; 500; 750; 1050 кВ.

Трансформаторы, используемые в системах распределения электроэнергии, называются силовыми. Они имеют полную номинальную мощность

от 10 кВ∙А до 1 млн. кВ∙А.

В сварочных трансформаторах используется возможность снизить

напряжение до безопасного уровня и обеспечить гальваническую развязку рабочего места с цепью высокого напряжения.

В устройствах промышленной электроники применяют высокочастотные и импульсные трансформаторы, мощность которых изменяется в пределах от нескольких милливатт до 1000 В∙А.

Свойства трансформаторов используется в измерительной технике. Они позволяют измерять параметры цепей высокого напряжения на стороне вторичной обмотки, имеющей низкое напряжение и хорошее заземление.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Принцип работы однофазных трансформаторов рассмотрим по схеме рис.10.4. При подключении источника напряжения в первичной обмотке трансформатора возникает ток . Далее будем пользоваться действующими значениями используемых физических величин.

Ток приводит к появлению магнитодвижущей силы первичной обмотки

. (10.1)

Магнитодвижущая сила возбуждает в магнитопроводе магнитный поток , причем

. (10.2)

Магнитный поток индуцирует в первичной обмотке трансформатора Э.Д.С. самоиндукции , а во вторичной обмотке – Э.Д.С. взаимной индукции .

Замкнем цепь вторичной обмотки. Под воздействием ЭДС взаимной индукции через нагрузку Z₂ потечет ток I₂ , возникает магнитодвижущая

сила F₂, и магнитный поток Ф₂, причем

. (10.3)

Для указанных на рис.10.2 направлений намотки обмоток трансформатора и выбранных положительных направлений токов I₁ и I₂ магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ встречные. Поэтому в магнитопроводе создается результирующий магнитный поток

. (10.4)

Этот поток пересекает витки обеих обмоток трансформатора и наводит в них результирующие Э.Д.С. е₁ и е_{2 .}

Помимо основного магнитного потока Ф (по 10.4) в реальном трансформаторе существуют потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток. Для количественной оценки потоков и вводят понятие эквивалентной индуктивности рассеяния так, что

; .

Кроме того, обмотки реального трансформатора обладают активными

сопротивлениями R₁ и R₂. Чтобы учесть перечисленные величины при анализе работы трансформатора, переходят к его схеме замещения (рис.10.5).

.

Часть схемы, выделенная на рис. 10.5 пунктиром, не имеет активных сопротивлений и потоков рассеяния, а поэтому называется идеализированным трансформатором. К нему применимы все соотношения, полученные в лекции №8. Однако для получения простых и наглядных соотношений параметров трансформатора необходимо преодолеть еще одну трудность.

Дело в том, что трансформатор в расчетном эквиваленте представляет собой нелинейную цепь. Значит, к его анализу необходимо применять теорию нелинейной алгебры. Чтобы уйти от этого, гистерезисную зависимость В = f(H) заменяют эквивалентным эллипсом (рис.10.6), построенным так, что его площадь не менее чем на 95% перекрывает площадь петли гистерезиса.

Если теперь зависимости B = f(H), ; выражать через

параметры эллипса, то возникающие за счет отклонения от петли гистерезиса погрешности оказываются пренебрежимо малыми для практических целей. Главное в том, что переход к параметрам эквивалентного эллипса позволяет получить простые линейные выражения в представлении величин В(t) и Н(t) с помощью тригонометрических функций:

, (10.5)

, (10.6)

где - сдвиг фазы между Н(t) и В(t).

От выражений (10.5) и (10.6) легко перейти к показательной комплексной форме представления. Тогда

; , (10.7)

Учитывая соотношения (8.3), (8.15) и (10.7), связь между напряжением и магнитной индукцией представим в виде:

,

а связь между током и напряженностью магнитного поля выражением:

. (10.8)

Теперь можно перейти к оценке основных параметров трансформатора. Учитывая (8.3), (8.15) и (10.7), определяем напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора:

, (10.9)

. (10.10)

Эти напряжения полностью уравновешиваются Э.Д.С. первичной и вторичной обмоток:

, (10.11)

. (10.12)

Отношение (10.10) к (10.9):

(10.13)

называется коэффициентом трансформации.

Подставим в выражение для значение Ф из (10.4):

. (10.14)

Если разомкнуть цепь вторичной обмотки, то ее ток I₂ станет равным

нулю. При этом в цепи первичной обмотки будет протекать ток холостого хода, т.е. I₁ = I_1x, а выражение (10.14) примет вид:

. (10.15)

Но - это напряжение источника. Оно не зависит от режима работы трансформатора. Значит, левые части равенств (10.14) и (10.15) равны.

Отсюда следует, что равны и правые части. Приравнивая их, определим ток

холостого хода трансформатора.

. (10.16)

Последнее выражение показывает, что ток холостого хода равен разности токов первичной и вторичной обмоток, причем ток вторичной обмотки пересчитан к виткам первичной обмотки. Ток холостого хода мал и у мощных трансформаторов составляет единицы процентов от номинального значения.

Произведение

называют приведенным током вторичной обмотки. Для оценки качества трансформатора кроме пользуются приведенным сопротивлением нагрузки и приведенным напряжением вторичной обмотки . Определим их значения. Для этого выразим магнитный поток Ф из (10.10)

. (10.17)

Подставим (10.17) в (10.9):

.

Помножим и разделим последнее выражение на коэффициент Перегруппировав множители, получим:

. (10.18)

В выражении (10.18) - приведенный ток, а - приведенное, т.е. пересчитанное к виткам первичной обмотки, сопротивление нагрузки. Произведение

(10.19)

называется приведенным напряжением вторичной обмотки. Очевидно, что

. (10.20)

С учетом введенных понятий выражение (10.16) для тока холостого хода принимает вид:

. (10.21)

В выражении (10.15) множитель

определяет индуктивность первичной обмотки. Поэтому можно записать:

,

что полностью соответствует закону Ома для цепи с индуктивностью.

Для завершения анализа принципа работы построим векторную диаграмму идеализированного трансформатора (рис.10.7). На диаграмме в качестве исходного принимаем вектор магнитного потока . Векторы Э.Д.С. отстают от вектора на 90⁰. Это очевидно из (10.11) и (10.12) по наличию множителя (-j). Векторы и равны по величине векторам и соответственно, но противоположны им по направлению.

Вектор тока холостого хода опережает вектор на угол d. Это

хорошо видно из (10.8), т.к.

.

Вектор тока вторичной обмотки трансформатора сдвинут относительно вектора на угол j₂, что определяется характером нагрузки

Дата добавления: 2015-05-06