Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

4 Магнитные цепи с постоянными во времени магнитными потоками

142

·I

′·I

′ ; к=E

/ E

/ I

. Так как I

′, то E

′=кE

, a U

′=кU

·I

′·I

′ ; P

′→I

· r

=I′

· r

′→ I

/ I′

= r

′/ r

= к→ r

= r

′/ к

; x

′/ к

5.1.4 КПД ТРАНСФОРМАТОРА

КПД трансформатора можно определить по формуле: η=P

пол

/ P

зат

= P

/ (P

+ΔP

ст

+ΔP

)=U

·I

·cos φ

/ (U

·I

·cos φ

/ r

+(I

2н

)

·P

mн

)

Из аналитического выражения графической зависимости следует, что при

токе нагрузки, равном нулю, КПД тоже равно нулю, так как полезная

мощность в нагрузке равна нулю. При увеличении тока нагрузки

увеличивается КПД за счёт увеличения полезной мощности в нагрузке.

Максимальное значение КПД достигают при условии, когда потери в меди

станут равными потерям в стали (от 0,85 до 0,9 от I

ном

). Дальнейшее

увеличение тока до номинального значения приводит к незначительным

уменьшениям КПД. Дальнейшее увеличение I

ном

приводит к резкому

уменьшению КПД за счёт резкого увеличения потерь в меди.

Из выражения для КПД следует, что трансформатор следует

эксплуатировать при токе нагрузки, близкому к номинальному току.

5.1.5 КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА

Коэффициент мощности характеризует, какая часть мощности,

потребляемая из сети, выполняет полезную работу.

Cos φ

+ΔP

ст

+ΔP

=√P

I2=IH (A)

IHOM

0,85 IHOM

4 Магнитные цепи с постоянными во времени магнитными потоками

143

В режиме холостого хода cosφ≠0, так как трансформатор выполняет свои

функции: преобразует напряжение одной величины в требуемое напряжение

нагрузки за счёт следующих преобразований:

— в первичной обмотке произошло преобразование электрической энергии в

энергию магнитного поля, которая сконцентрирована в магнитопроводе;

—во второй обмотке произошло преобразование энергии магнитного поля в

энергию в виде наведенной ЭДС взаимоиндукции.

Так как данные преобразования энергии зависят от токов намагничивания,

то и cos φ

в режиме холостого хода будет соизмерим с током

намагничивания.

При увеличении тока нагрузки от ноля до номинального значения,

коэффициента мощности увеличивается за счёт увеличения полезной

мощности, выделяемой в нагрузке.

При номинальных токах нагрузки cos φ

достигает максимальных

значений.

При дальнейшем росте I

ном

коэффициент мощности резко уменьшается

за счёт резкого увеличения потерь в меди.

ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ ТРАНСФОРМАТОРА

. Векторные диаграммы строятся на основании принципа действия

трансформатора, схемы замещения трансформатора и уравнений

электрического равновесия, полученных со схемой замещения

трансформатора

ϕ1

IHOM

I2=IH (A)

0,08÷0,12

4 Магнитные цепи с постоянными во времени магнитными потоками

144

Ủ

=(-)Ẻ

+Ỉ

·r

+j·Ỉ

·x

Ẻ

=Ủ

+Ỉ

·r

+j·Ỉ

·x

Ủ

=Ẻ

-Ỉ

·r

-j·Ỉ

·x

Ỉ

=Ỉ

+Ỉ

′

ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА НАГРУЖЕННОГО

ТРАНСФОРМАТОРА

(РЕЖИМ ХОЛОСТОГО

ХОДА)

Т. к. векторная диаграмма должна быть построена относительно

величины первичной и вторичной обмотки трансформатора , которой

является поток.

Приняв , что потоки изменяются по закону синуса с начальной

нулевой фазой.

tФФеФФ

⋅=⇒⋅= ωsin

Из схемы замещения следует , что результирующий магнитный

поток в магнитной системе обусловлен реактивной составляющей тока

намагничивания , т. е. поток будет совпадать по фазе с реактивной

составляющей тока намагничивания.

4 Магнитные цепи с постоянными во времени магнитными потоками

145

Т. к. ток намагничивания имеет активную составляющую ,

которая совпадает по направлению с U

приложенным к первичной

обмотке трансформатора, который

0000

011

PrIIjII

IIU

APA

=⋅⇒⋅+=⇒==→

&&&

т. е. на активной составляющей в цепи намагничивания происходит

преобразование электрической энергии в тепловую. Т. к. ток

намагничивания (х. х.) составляет 1% от номинального значения тока

первичной обмотки , поэтому потерями на активном сопротивлении

цепи намагничивания можно пренебречь .

cos

arctgIII

===⇒=⇒+= ϕϕ

Из чего следует, что из-за малых значений тока намагничивания

будет незначительным угол

ϕ , будет незначительным коэффициент

мощности (cos

Т. к. в реактивной составляющей индуктивного характера цепи

намагничивания происходит преобразование электрической энергии в

энергию магнитного поля , характеризуемое МДС и магнитным

потоком. Для количественной оценки преобразования энергии вводят

понятие реактивной мощности индуктивного характера.

xIQ

⋅==⋅=

Т. к. магнитный поток замыкаясь по магнитопроводу

трансформатора пересекает витки первичной и вторичной обмотки

наводя в них ЭДС , совпадающих по фазе и отстающих от потока на

угол

5 МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Машины постоянного тока, как и все электрические машины, обратимы, т.

е. могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. В настоящее

время они применяются в основном в качестве двигателей приводов машин и

механизмов, требующих плавного и экономичного регулирования частоты

вращения в широких пределах (например, в электротяге), а также больших

перегрузочных и пусковых моментов, особенно в металлургии для привода

прокатных станов.

Генераторы постоянного тока еще используются в преобразовательных

установках для получения постоянного тока из переменного (например,

напряжением до 1000В для приводов прокатных станов и электролизных

установок напряжением 6—12 В, где их единичная мощность достигает 10 тыс.,

кВт; в установках для зарядки аккумуляторов, электросварки, освещения поездов, а

также в электроустановках на судах, тепловозах и др.).

К основным недостаткам машин постоянного тока, ограничивающим их

применение, относятся: сложность конструкции и ненадежность в работе из-за

наличия коллектора, а для двигателей и необходимость в источнике постоянного

тока.

5.1. Основные части и принцип действия машин постоянного тока

Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного

статора (индуктора) с полюсами и вращающегося ротора (якоря) с

коллектором (рис. 3.1, а). Статор является источником магнитного поля и

механическим остовом машины, якорь — часть машины, в обмотке которой

индуцируется э. д. с.

Рисунок 3.1 – Устройство машины постоянного тока:

а: 1

–

коллектор; 2

–

щетки; 3

–

сердечник якоря; 4 – рым-болт; 5

–

основной полюс с катушкой обмотки возбуждения; 6

–

корпус (станина); 7

–

подшипниковые щиты; 8

–

вентилятор; 9

–

обмотка якоря; 10

–

лапы

–

якорь с вентилятором;

в: 1 – обойма; 2 – гибкий проводник; 3 – нажимной курок; 4 – пружина;

5 – щетки

д: 1– корпус; 2 – основной полюс; 3 – сердечник якоря; 4 – обмотка якоря; 5 –

коллектор; 6 – стальной вал

На одном валу с якорем жестко закрепляется коллектор (рис.

3.1,б), электрически соединенный с его обмоткой. Коллектор — характерная деталь

машины постоянного тока. Его медных пластин касаются неподвижные угольно-

графитовые щетки, размещенные в щеткодержателях (рис. 3.1,в) на траверсе и

электрически соединенные с внешней цепью. Во избежание искрения щетки

тщательно притираются к коллектору, а их умеренный нажим должен быть отрегу-

лирован.

Принцип действия машин постоянного тока основан на законе

электромагнитной индукции и законе Ампера.

Магнитное поле машины (рис. 3.1,д) создается постоянным током (током

возбуждения) в обмотке полюсов или Достоянными магнитами в машинах малой

мощности. Его силовые линии замыкаются через стальные станину, сердечники

полюсов и сердечник якоря, дважды преодолевая на своем пути воздушный зазор

между ними. Магнитная цепь четырехполюсной машины постоянного тока

разветвленная, симметричная. Плоскость, проходящую через ось машины под

углом α, при котором она перпендикулярна к силовым линиям, называют

геометрической нейтралью (при α= 0 и Т/2 на рис. 3.1,г).

В режиме генератора машина преобразует механическую энергию в

электрическую: к обмотке возбуждения статора подводится постоянный ток

возбуждения, а якорь вращается каким-либо первичным двигателем. При этом провода

обмотки якоря пересекают магнитные силовые линии полюсов и в них индуцируются

э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые являются механическим выпрямителем,

эти переменные пульсирующие э. д. с. суммируются в постоянную по значению и

направлению э. д. с. машины Е. Если к щеткам подключить приемник, то в нем

установится постоянный ток I.

В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в

механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится

постоянный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля полюсов статора с током

обмотки якоря создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит в

движение якорь (ротор).

5.2. Устройство статора

Статор (индуктор) машины постоянного тока (см. рис. 3.1,а) состоит из

цилиндрической станины (корпуса), полюсов с обмоткой возбуждения и

подшипниковых щитов.

Станина (рис. 3.2,а), являющаяся основой неподвижной части машины,

отливается или выполняется сварной из стали с большой магнитной проницаемостью,

так как играет роль и магнитопровода. На внутренней стороне станины

Рисунок 3.2 – Устройство статора:

а: 1,3 – основной и добавочный полюсы; 2 – щиток с выводами

б: 1 – сердечник; 2 – обмотка полюса; 3 – полюсный наконечник-башмак; 4 – якорь;

5 – станина; 6 – болт-шпилька

располагаются симметрично полюсы. В машинах малой и средней мощностей к

цилиндрической станине с торцов крепятся подшипниковые щиты с подшипниками.

В мощных машинах подшипники иногда выносятся па отдельные стояки.

Основные по л юсы с током в катушках обмотки (рис. 3.2,а и б)

создают в машине магнитное поле. Каждый полюс является электромагнитом, состоит из

стального сердечника с полюсным наконечником (башмаком) и катушечной обмотки из

изолированного медного провода (рис. 3.2,в). Обмотка основных полюсов составляет

обмотку возбуждения машины. Сердечник полюса для уменьшения потерь на вихревые

токи (возникающих в полюсном наконечнике из-за пульсации магнитной индукции

при вращении якоря с зубчатой поверхностью) набирается в виде пакета из листовой

электротехнической стали толщиной 0,5—2 мм и стягивается шпильками. Полюсы

крепятся к станине болтами или шпильками.

Добавочные полюсы (рис. 3.2,г) устроены аналогично, но их

сердечники чаще делаются из литой стали и имеют малую магнитную индукцию.

Они устанавливаются симметрично между основными полюсами (см. рис. 3.2,а),

содержат обмотку из толстого изолированного провода (включается

последовательно с якорем) и предназначаются для устранения искрения щеток (см.

п. 3.8).

5.3. Устройство якоря

Якорь (ротор) машины постоянного тока (см. рис. 3.1,б) состоит из стального

вала, стального сердечника, обмотки и коллектора.

Сердечник якоря (рис. 3.3,а) представляет собой цилиндрический

барабан, в продольных наружных пазах которого размещается обмотка якоря. Для

уменьшения потерь на вихревые токи (во время работы якорь вращается в

постоянном и неподвижном магнитном поле статора) сердечник набирается из

изолированных штампованных листов электротехнической стали (рис. 3.3,в)

толщиной 0,35 или 0,5 мм. Сердечник жестко закрепляется на валу (шпонкой или

Рисунок 3.3 – Устройство якоря:

а: 1 – нажимные шайбы; 2 – канавки под бандажи

б: 1 – пазовая изоляция; 2 – всыпная обмотка

д: 1 – корпус-втулка; 2 – выступ с прорезью коллекторной пластины; 3 –

втяжной болт; 4 – зажимное кольцо; 5 – миканитовая изоляция

е: 1 – металлическая втулка; 2 – армировочные, металлические кольца

нажимными шайбами). Для лучшего охлаждения в сердечнике якоря имеются

осевые вентиляционные каналы, а в машинах большой мощности — и радиальные

каналы между пакетами сердечника. В машинах малой и средней мощностей

применяется самовентиляция — воздух прогоняется вентилятором, который

насаживается на вал якоря (см. рис. 3.1,б), в машинах большой мощности

используется независимое охлаждение — от вентилятора с собственным приводом.