Вопорс 39 1 страница

Вопрос 35. Опыт короткого замыкания трансформатора. Этот опыт, как и опыт холостого хода, проводят для определения параметров трансформатора. Определение: опытом короткого замыкания называют испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном токе в первичной обмотке, при этом U1 составляет (5-10)%U1ном.

Рис.5.10. Схема опыта короткого замыкания

В процессе проведения опыта определяются: I_кз=I₁; U_кз=U_к; P_кз=P_к=P_пк

Напряжение КЗ обычно обозначается:

Мощность P_пк – это мощность, обусловленная активным сопротивлением обмоток и расходуемая на их нагрев (иногда ее еще называют мощностью короткого замыкания). Исходя из схемы замещения трансформатора при коротком замыкании (рис.5.9), получаем

, где - полное сопротивление трансформатора.

Определив U_к и I₁, можно вычислить полное сопротивление

Мощность при коротком замыкании можно выразить формулой .

Поэтому активное сопротивление обмоток трансформатора находят из показаний ваттметра и амперметра.

Зная Z_к и R_к, можно вычислить индуктивное сопротивление обмоток:

Рис.5.11.: а) – схема замещения; б) векторная диаграмма – треугольник напряжений короткого замыкания.

Зная Z_к, R_к и X_к трансформатора, можно построить основной треугольник напряжений короткого замыкания (ΔOAB рис.5.11), а также определить активную и индуктивную составляющие напряжения короткого замыкания:

;

В мощных трансформаторах преобладают составляющие U_kp и X_k по сравнению с U_ka и R_k.

Согласно изложенному, напряжение короткого замыкания характеризует значение активных сопротивлений и индуктивных сопротивлений рассеяния трансформатора и является поэтому важной характеристикой трансформатора. Значение U_k% указывается в паспортной табличке трансформатора. В силовых трансформаторах U_k%=4,5÷15.

Если короткое замыкание происходит при номинальном первичном напряжении, то

или в относительных единицах .

Если, например, U_k%=10%, то I_K=10·I_H.

Вопрос 36 . Вторичное напряжение. Большое значение имеет напряжение на вторичных выводах трансформатора, так как к этой обмотке подсоединяются приборы, устройства, машины. Например, если напряжение на осветительных лампах мало, то они горят тускло; если напряжение питания асинхронных двигателей меньше номинального на 10 %, то вращающий момент двигателя уменьшается на 19 % и такой момент может быть недостаточным для рабочей машины, приводимой в действие электродвигателем; пониженное напряжение какого-либо автоматического выключателя может отрицательно сказаться на его нормальной работе. Поэтому важно уметь найти напряжение питания устройств, подключаемых к вторичной обмотке трансформатора.

Изменение вторичного напряжения. Изменение вторичного напряжения определяют в процентах (2.18)

Формулу для определения можно получить из векторной диаграммы рис. 2.14, построенной для упрощенной схемы замещения рис. 2.10. Практически, с допустимой погрешностью, можно считать, что и . Тогда .

Из прямоугольных треугольников и следует, что в соответствующем масштабе ; .

Тогда .

Введем понятие коэффициента нагрузки трансформатора . После подстановки двух последних соотношений в (2.18) получим:

, (2.19) где и — в процентах.

Если значение найдено, то вторичное напряжение (2.20)

Значение (при номинальной нагрузке) может быть найдено по каталожным данным, где приводятся значения . Напряжение короткого замыкания есть отклонение напряжения от его номинального значения при номинальном токе.

Внешняя характеристика трансформатора. Она представляет собой зависимость между вторичным напряжением и током нагрузки при заданном напряжении на входе трансформатора . Она может быть рассчитана по (2.20) с учетом (2.19) при изменении коэффициента нагрузки, а также по каталожным данным (в примере 2.1 дан расчет одной из точек внешней

характеристики). Внешние характеристики при активной и активно-индуктивной нагрузках представлены на рис. 2.15. Чем больше нагрузка, т.е. чем больше ток , тем меньше напряжение . В пределах от холостого хода до номинальной нагрузки, т. е. от до , напряжение изменяется лишь на несколько процентов. Чем больше нагрузка, тем больше токи и , а значит, больше и падения напряжения на сопротивлениях обмоток трансформатора и, следовательно, тем меньше напряжение .

Вопрос 37. Отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на входе называется КПД трансформатора. (или ).В общем случае КПД трансформатора зависит от его режима работы. В связи с высоким коэффициентом мощности КПД трансформатора превышает 99%. По этой причине практически не применяется прямое определение КПД, т.е. КПД трансформатора не определяется на основании непосредственного измерения и , КПД трансформатора η не изменяется.

Т.к. мощность потерь , то КПД:

Мощность потерь в трансформаторе равна сумме мощностей в магнитопроводе и в проводах (первичной и вторичной) обмоток . Мощности потерь в магнитопроводе и проводах обмоток практически равны активным мощностям трансформатора, измеренным в опытах холостого хода и короткого замыкания соответственно (см. разделы 5.5 и 5.7).

Потери в проводах обмоток называют переменными потерями, а потери в магнитопроводе постоянными.

Рис.5.23 Изменение КПД трансформатора в зависимости от нагрузки и потерь в магнитопроводе и проводах.

На графике 5.23 показана зависимость от - коэффициента загрузки трансформатора

, где: - ток нагрузки при номинальном первичном токе .

Выводы:

1. КПД трансформатора зависит от значений коэффициента мощности приемника-потребитель и коэффициента загрузки .

2. Максимум КПД для максимальной загрузки ( =1) можно получить при равенстве потерь в магнитопроводе и потерь в проводах.

3. Трансформаторы рассчитывают так, чтобы максимум КПД соответствовал средней нагрузке. Например, при отношении мощностей потерь (где -мощность потерь в проводах обмоток при номинальных токах) максимум КПД будет при нагрузке, которая соответствует

Вопрос 38

Для трансформирования трехфазной системы токов можно воспользоваться трансформаторной группой - тремя однофазными трансформаторами, работающими как один агрегат (рис.5.24а). Но можно объединить три однофазных трансформатора в один трехфазный аппарат (рис.5.24г) и получить экономию материалов.

Рис.5.24 Трехфазный трансформатор. а)-группа из трех однофазных трансформаторов, б)-магнитопровод с общей центральной частью, в)-магнитопровод без центральной части, г)-несимметричный магнитопровод, д), е),-обозначение трехфазного трансформатора на С х Э.

Нейтральному проводу в магнитной системе трехфазного трансформатора соответствует нейтральный (средний) общий стержень (рис.5.24б). При симметричной трехфазной системе этот стержень не нужен и может быть удален (рис.5.24в), т.к. сумма мгновенных значений трех магнитных потоков в любой момент времени равна нулю: ф_А+ф_В+ф_С=0, так как они равны по величине и сдвинуты по фазе на угол 120⁰.

Каждый магнитный поток в своей вторичной обмотке индуцирует свою ЭДС, которые равны по величине и сдвинуты на угол 120⁰. Следовательно, три вторичные обмотки, соединенные или , являются источником трехфазного напряжения.

Выводы обмоток трехфазного трансформатора размечаются в порядке чередования фаз:

v на стороне высшего напряжения выводы:

А, В, С (С_1, С₂, С₃) – начала обмоток;

X, Y, Z (C₄, C₅, C₆) – их концы.

v на стороне низшего напряжения выводы;

а, в, с – начала обмоток;

x, y, z – их концы.

Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется работа при параллельном соединении их обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах.

При некоторых условиях может оказаться, что для питания электроприемников мощности одного трансформатора не хватает. Такое положение создается, если суммарная мощность приемников, подключенных к вторичной обмотке трансформатора, больше мощности трансформатора или, если для питания приемников требуется большая надежность, не обеспечиваемая одним трансформатором.

Рис. 5.27. Схема включения двух однофазных трансформаторов на параллельную работу.

При параллельной работе первичные обмотки трансформаторов получают энергию от общего источника, а вторичные обмотки подключаются к общему приемнику (рис.5.27).

Для нормальной работы в режиме параллельного соединения трансформаторы должны отвечать следующим условиям:

1. коэффициенты трансформации всех трансформаторов должны быть равны, т.е. К₁ = К₂=…К_n.(разница значений коэффициента трансформации не должна превышать 50%).

2. трансформаторы должны иметь одинаковые:

v номинальные первичные и вторичные напряжения,

v напряжения короткого замыкания u_K1= u_K2=…=u_kn (допускается отклонение ±10%)

3. все трехфазные трансформаторы должны иметь одну и ту же группу соединений(0 или 11).

Если трансформаторы принадлежат к разным группам соединения обмоток, то между векторами линейных вторичных ЭДС (а, следовательно, и напряжений) сдвиг фаз будет отличаться от 0⁰, а их векторная разность не будет равна нулю.

На рис.5.28 показана векторная диаграмма линейных вторичных ЭДС трансформаторов, принадлежащих к нулевой и одиннадцатой группам соединения обмоток.

Рис.5.28.. Возникающая ЭДС D Е ₂= Е ₂₁- Е ₂₂ настолько велика, что создаваемый ею уравнительный ток превышает номинальный ток в несколько раз и режим оказывается аварийным.

Вопрос 40. Автотрансформаторы, так же как и трансформаторы, служат для преобразования напряжения при передачи электроэнергии.Они могут быть как понижающими, так и повышающими.

В отличие от обычных трансформаторов, имеющих между первичной и вторичной обмотками только электромагнитную связь, в автотрансформаторе первичная и вторичная обмотки соединены электрически, вследствие чего энергия передается не только электромагнитным полем, но и электрическим путем. Благодаря этому, при одной и той же мощности, которая считается номинальной мощностью автотрансформатора, его электромагнитная мощность меньше и он имеет меньшие размеры, массу и потери энергии. Следовательно, автотрансформатор выгоднее и экономичнее трансформатора.

Рис.5.29. Принципиальная схема понижающего автотрансформатора.

Пусть к первичной обмотке приложено напряжение U ₁, которое создает в обмотке с числом витков w₁ намагничивающий ток. В магнитопроводе возбуждается магнитный поток, индуцирующий ЭДС Е₁=U₁ в первичной обмотке с числом витков w₁ и ЭДС Е₂=U₂ во вторичной обмотке с числом витков w_2. Отношение представляет собой коэффициент трансформации. Тогда ток в нагрузке будет: . Выходное (нагрузочное) напряжение: U₂ = U₁/к

По общей части обмотки автотрансформатора (нижняя часть обмотки на схеме рис.5.29) будет протекать разность токов

Преимуществом автотрансформатора является уменьшение объема меди в (к - 1)/к раз и связанное с этим уменьшение объема стали.

Вместе с тем применение автотрансформаторов недопустимо при больших коэффициентах трансформации, т.к. цепь высокого напряжения электрически связана с цепью низкого напряжения.

Это может вызвать появление в цепи низкого напряжения высоких потенциалов, которые могут привести к несчастным случаям.Обычно автотрансформаторы используются при k≤2,5. Применение автотрансформаторов тем выгоднее, чем k ближе к единице.

Вопрос 41. Устройство АМ

АМ состоит из неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора (рис. 6.1). Между статором и ротором имеется воздушный зазор, величина которого зависит от номинальной мощности машины и ее быстроходности.

Статор содержит наружную часть – станину 1’’, внутри которой запрессован сердечник 1’ и подшипниковые щиты 3. Станина с подшипниковыми щитами образует корпус машины, который может быть стальным, чугунным, а при небольшой мощности может быть выполнен из алюминиевого сплава.

Сердечник статора для уменьшения потерь по аналогии с трансформатором собран из тонких листов стали, изолированных слоем лака. Сердечник представляет собой полый цилиндр с продольными внутренними пазами, в которых уложена обмотка. Обмотка трехфазных двигателей состоит из трех ветвей – фаз. Каждая фаза содержит 1, 2 и более катушек, равномерно распределенных по окружности статора.

Начало и концы фаз выводятся на щиток машины 6. Это позволяет соединять их звездой или треугольником (рис. 6.2) и подключать к сетям с различными напряжениями указанными в паспортах машины. Здесь С1, С2, С3 – начала, а С4, С5, С6 – концы фаз.

У двигателей, предназначенных для регулирования частоты вращения ротора методом изменения числа пар полюсов, начала и концы катушек выводят на щиток.

Ротор АМ выполняется в виде цилиндра, состоящего из тонких изолированных листов электротехнической стали. В сердечнике ротора имеются пазы, в которых размещена обмотка.

Рис. 6.2 Соединение обмоток на щитке машины: а - звездой; б - треугольником.

В зависимости от конструкции ротора различают машины с коротко замкнутым (рис.6.1б) и фазным (рис.6.3) роторами. У машины с короткозамкнутым ротором обмотка выполняется в виде короткозамкнутой обмотки или «беличьей клетки».

Зачастую пазы заливают алюминием с одновременной отливкой замыкающих колец и лопаток вентилятора. У машин с фазным ротором (Рис 6.4) обмотка выполняется разомкнутой. Концы обмоток соединены в одну точку, а их начала (Р 1, Р 2, Р 3) электрически подключены (будучи изолированными от вала) к трем контактным кольцам 2, находящимся на изоляционной втулке вала машины. На кольца накладываются щетки 3, к которым присоединяют пусковой или регулировочный реостат 4.

Рис6.3 Фазный ротор асинхронного двигателя: 1 - обмотка; 2 - кольца; 3 - сердечник; 4 - вал.

Рис.6.4 Электрическая схема цепи ротора фазного двигателя: 1 - обмотка; 2 - кольца; 3 - щетки; 4 - реостат.

Вопрос 42. Режим холостого хода асинхронного двигателя.

Под режимом холостого хода (ХХ) АД подразумевают такое его состояние, при котором к статору подведено номинальное напряжение, а ток в роторе равен нулю (обмотка ротора разомкнута и нагрузка на валу отсутствует).

Отношение ЭДС обмоток статора и ротора называют коэффициентом приведения АД по ЭДС.(коф. трансформации по напряжению-см.»Схема замещение АД»,Касаткин Немцов стр.352).

(6.10)

Коэффициент приведения отличается от коэффициента трансформации трансформатора наличием в отношении (6.10) обмоточных коэффициентов и статора и ротора, учитывающих наличие сдвига фаз между ЭДС витков катушек обмоток.

Ток обмотки статора Io=Iао+Ipo, как и в трансформаторе, называется током холостого хода.

Его активная составляющая значительно меньше реактивной составляющей (Iао<Ipo).

Поэтому Io~Ipo, т.е. ток ХХ является намагничивающим, создающим вращающий магнитный поток.

По сравнению с намагничивающим током трансформатора той же мощности у двигателей он больше (достигает 20-25% от номинального тока). Это объясняется наличием воздушного зазора между статором и ротором машины, обусловливающего значительное возрастание магнитного сопротивление машины.

При замкнутой обмотке ротора без дополнительной механической нагрузки на валу (При холостом вращении) частота вращения ротора будет близкой к частоте вращения поля статора.

В отличие от трансформатора при холостом вращении двигателя в последнем, кроме электрических и магнитных потерь, возникают механические потери.

Вопрос 43. Нагрузочный режим

В случае холостого хода двигателя его механическая нагрузка обусловлена лишь силами трения в подшипниках и вентиляционными потерями (аэродинамикой вращающихся частотой).

При появлении на валу ротора дополнительной механической нагрузки ротор затормозится, увеличится скольжение и, следовательно, возрастут ЭДС и ток ротора.

Увеличение тока в роторе приведет к возрастанию его магнитодвижущей силы F₂,которая по закону Ленца вызовет ослабление магнитного потока Ф _о, созданного МДС холостого хода F_o.

Ослабление потока приведет к уменьшению Е₁ и нарушению электрического равновесия между напряжением и ЭДС в цепи статора. Вследствие этого возрастает ток I₁, который увеличит поток статора и тем самым скомпенсирует размагничивающие действие тока ротора I₂.

В результате описанных выше переходных электромагнитных процессов установится общий магнитный поток Ф_о, равный потоку при ХХ двигателя, обусловленный разностью МДС статора и ротора.

Таким образом, величина результирующего магнитного потока, зависящая только от напряжение сети, в пределах до номинальной нагрузки останется почти без изменения. Поэтому: Ф ₁- Ф ₂= Ф _о, (6.11) где Ф ₁, Ф ₂, Ф _о – соответственно магнитные потоки статора, ротора и холостого хода.

Увеличение тока I₁ в статоре вызовет увеличение мощности, передаваемой двигателю из сети, в результате чего возрастает вращающий момент и динамическое равновесие восстановится.

Свойства саморегулирования вращающего момента в соответствии с моментом нагрузки на валу АД.

АД, так же как и все остальные электрические машины, обладают свойством саморегулирования. Оно заключается в том, что при изменении противодействующего момента нагрузки автоматически изменяется вращающий момент машины и восстанавливается нарушенное равновесие моментов на валу.

Как известно – установившийся режим с постоянной скоростью возможен только при равенстве моментов на валу – электромагнитного вращающего М и противодействующего момента М_пр (Суммарного момента нагрузки и сил трения). Если внезапно увеличится противодействующий момент, то ротор начнет тормозиться. Скорость ротора n₂ будет падать, а скорость его скольжения относительно вращающего поля - возрастать. При увеличении скорость скольжения неизбежно увеличатся ЭДС Е₂ и токи I₂ в проводниках ротора.

В свою очередь, ток ротора определяет электромагнитные силы и момент, действующие на ротор. С ростом вращающего момента отрицательное ускорение ротора будет стремиться к нулю, пока не наступит повторное равновесие моментов: скорость ротора установится на новом, более низком уровне.

Описанный переходной процесс можно характеризовать следующий математической (мнемонической) схемой:

;

Понимание свойства саморегулирования – ключ к пониманию всех характеристик АМ.

Вопрос 44.Уравнение магнитодвижущих сил (МДС) и токов АМ.

Магнитные потоки замыкаются по одному и тому магнитопроводу, поэтому уравнение (6.11) можно переписать заменив соответствующими МДС:

(6.12)

где: I1, I2,Io – токи обмоток статора, ротора и холостого хода;

w1, w2 – число витков обмотки статора и ротора;

Ко1, Ко2 – обмоточные коэффициенты обмотки статора и ротора;

m1, m2 –число фаз обмотки статора и ротора.

Разделив левую и правую части уравнение (6.12) на , получим

Величина (6.13)

представляет собой коэффициент приведения по току. Коэффициенты ne и ni неодинаковы. Как и в случае трансформатора, .

Этот коэффициент называют током ротора, приведенный к обмотке статора.

Окончательно уравнение (6.12) запишется в следующим виде:

или (6.14)

Таким образом, ток в обмотке статора состоит из намагничивающего тока и составляющей , компенсирующей поток ротора. Составляющая появляется только тогда, когда к валу ротора приложен тормозящий момент.

Магнитные потоки статора и ротора создаются их магнитодвижущими силами.

При ХХ АД магнитодвижущая ротора равна нулю и вращающийся поток создается только МДС статора, которая у двигателя равна (m1 – число фаз статора, Io – ток ХХ двигателя) – все это повторяет схему замещения трансформатора.

Если увеличить нагрузку на валу двигателя, то увеличится ток ротора и в нем появится (m2 – число фаз ротора).

Дата добавления: 2015-05-06