Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

протекает только Часть тока /

. Поэтому к. п. д. передачи энергии

при применении автотрансформаторов увеличивается, а падения

напряжения уменьшаются. Вместе с тем увеличиваются также

токи короткого замыкания.

В трехфазных установках обмотки

автотрансформаторов обычно соединяют-

ся в звезду (рис. 18-7, а). При этом для

устранения третьих гармоник в потоках

и э. д. с. фаз применяется третичная

обмотка малой мощности с соединением

в треугольник. При соединении обмотки

в треугольник (рис. 18-7, б) коэффи-

циент трансформации может изменяться

в пределах ft

= 1 +• 2. Эта схема ис-

пользуется в редких случаях. В энер-

гетических системах находят применение трехобмоточные транс-

форматоры, в которых обмотки высшего и среднего напряжения

имеют автотрансформаторную связь и соединяются в звезду, а об-

мотка низшего напряжения имеет с остальными обмотками транс-

форматорную связь и соединяется в треугольник.

Трансформаторы последовательного включения. В § 15-3 был рассмотрен спо-

соб регулирования вторичного напряжения трансформатора путем выполнения

ответвлений от его обмотки. В некоторых случаях (например, трансформаторы

предельной мощности и напряжения) осуществление такого способа регулирова-

ния напряжения затруднительно.

Иногда требуется дополнительное

регулирование напряжения отдель-

ных ветвей замкнутых Высоко-

вольтных сетей с целью перерас-

пределения потоков мощности меж-

ду отдельными ветвчми сети.

В этих случаях находят примене-

ние трансформаторы последова-

тельного включения ТПВ (рис.

18-8), у которых вторичная об-

мотка включается в сеть последо-

вательно, а первичная питается

от специального трансформато-

ра РТ, регулируемого под на-

грузкой. У последнего в общем

случае имеются две вторичные об-

мотки d и q. Одна из них (обмот-

ка d) создает продольную составляющую напряжения U

1Aa

, совпадающую

по фазе с напряжением рассматриваемой фазы сети или сдвинутую относительно

его на 180°, а другая (обмотка q) — поперечную составляющую напряжения U

lAq

сдвинутую относительно напряжения рассматриваемой фазы сети иа 90°. Напря-

жения U

lAd

и U

lAq

можно регулировать независимо друг от друга, и в результате

первичное напряжение трансформатора ТПВ

4 %

Uhji ЧИР

Рис. 18-7. Схемы трехфазных

автотрансформаторов

Рис. 18-8. Трансформатор последователь-

ного включения

а также его вторичное напряжение U

, складывающееся с напряжением сети U

можно изменять по величине и по фазе. Напряжение сети за ТПВй'

— 0

+ O

Регулирование напряжений всех фаз производится одновременно.

Трансформаторы с двумя обмотками d и q вследствие их сложности и дорого-

визны применяются относительно редко. Чаще используются трансформаторы

только с обмоткой d, позволяющие осуществлять продольное регулирование

напряжения.

Рис.. 18-9. Трансформатор со

скользящими контактами

§ 18-3. Трансформаторы с плавным регулированием

напряжения

В § 15-3 были рассмотрены способы ступенчатого регулирования напряжения

трансформаторов путем изменения числа включенных в работу витков одной

из обмоток. Однако в ряде случаев возникает необходимость более плавного регу--

лироваиия напряжения, притом в широких

пределах. Разработай ряд способов такого ре-

гулирования напряжения, которые нашли

практическое применение.

Одиим из таких способов является приме-

нение контахтиых щеток,' скользящих по неизо-

лированной внешней поверхности обмотки

(рис. 18-9, а), благодаря чему достигается плав-

ное измениие числа включенных в работу вит-

ков обмотки. Такой метод широко используется

в маломощных лабораторных автотрансформа-

торах. В более мощных трансформаторах в

автотрансформаторах необходимо применять двойные комплекты щеток и .со-

противления с целью ограничения тока короткого замыкания при замыканкй

щетками соседних витков (рис. 18-9, 6). Рассматриваемые трансформаторы

строятся мощностью до 250 кв-а и используются для освещения театральных

сцен # в некоторых других

случаях.

Некоторое применение

находят также трансформа-

торы с подвижными обмот-

ками и сердечниками. На

рис. 18-10 изображён транс-

форматор с двумя первичны-

ми обмотками 1, включен-

ными параллельно, и вто-

ричной обмоткой 2, располо-

женной иа подвижном сер-

дечнике. При движении сер-

дечника вниз из положения,

показанного на рнс. 18-10, а,

потокосцепление с обмоткой

2 плавно меняется и напря-

жение обмотки также плавно

меняется от значения + Щ

(рис. 18-10, б) до — £/

(рис. 18-10, г) при нижнем крайнем положении сердеч-

ника, когда обмотка 2 будет находиться напротив нижней обмотки 1.

В последнее время расширяется применение трансформаторов с элементами,

подмагничиваемыми постоянным током. Предложено значительное количество

разновидностей таких трансформаторов. Рассмотрим в качестве примера одни из

подобных трансформаторов (рис. 18-11).

Трансформатор с

ричной обмоткой

На рис. 18-11 представлен однофазный двухобмоточный трансформатор,

первичная и вторичная обмотки которого расположены на разных стержнях,

а между стержнями имеется'магнитный шунт, набранный, как и сердечники,

из листовой электротехнической стали. Благодаря такому устройству обмотки

трансформатора имеют пониженную электромагнитную связь и большое рассеяние.

Полезный поток Ф

замыкается

через крайние сердечники. Если

пренебречь небольшим намагничи-

вающим током, то токи /j и /

на-

ходятся в противофазе и создают

потоки рассеяния Ф

1а

и Ф

2а

, кото-

рые замыкаются в основном через

шунт и складываются в нем. Вслед-

ствие большого рассеяния падения

напряжения в сопротивлениях рас-

сеяния jxj

и jxj

велики, что

приводит к значительному умень-

шению вторичного напряжения.

Магнитный шунт подразделен

на две части, иа каждой из которых

расположена полтина подмагни-

чивающей обмотки, питаемой по-

стоянным током (-. Эти полови#ы

обмотки включены так, что созда-

ваемый ими постоянный магнитный

поток Ф= замыкается в пределах

шунта. Чем больше i=, тем больше Ф= и тем сильнее насыщается шунт, в ре-

зультате чего Фст, н Фс»- уменьшаются. Это нриводит к повышению вторичного

напряжения £/

. Таким-образом, путем регулирования i= можно регулировать

величину £/

Часть вторичной обмотки можно расположить на общем стержне с первичной

обмоткой. Это приведет к усилению электромагнитной связи, уменьшению рас-

сеяния и уменьшению диапазона регулирования и

. Поэтому диапазон

регулирования U

определяется распределением витков вторичной обмотки между

двумя стержнями.

Рис. 18-11. Однофазный трансформатор

с подмагничиваемым шунтом

§ 18-4. Другие разновидности трансформаторов

Сварочные и печные трансформаторы. Для электрической дуговой сварки

применяются трансформаторы с вторичным напряжением, обеспечивающим надеж-

ное зажигание и устойчивое горение дуги. Для ручной сварки используются

трансформаторы с напряжением при холостом ходе 60—75 в и при номинальной

нагрузке 30 в. Для ограничения сварочного тока при коротком замывании и

устойчивого горения дуги трансформатор должен иметь круто падающую внеш-

нюю характеристику £/

= / (/

) (см. § 11-1), а сварочная цепь — значительную

индуктивность (cos ф = 0,4 -i- 0,5). Для регулирования величины сварочного

тока величина этой индуктивности должна быть регулируемой.

Широко используются сварочные трансформаторы с дополнительной регу-

лируемой реактивной катушкой (рис. 18-12). При уменьшении с помощью соответ-

ствующего механизма зазора ё в магнитной цепи катушки ее индуктивность

возрастает.

Однопостоеые трансформаторы для ручной дуговой еваркн изготовляются

мощностью до 30 кв-а, а для автоматической сварки — до 100 кв-а и более. Для

контактной электросварки выпускаются трансформаторы мощностью до 1000 кв-а

при напряжении холостого хода До 36 в.

Для дуговых сталеплавильных печей применяются трехфазные трансформа-

торы, согласно ГОСТ 7207—70, мощностью до 25000 кв-а, со ступенчатым регу-

лированием вторичного напряжения в пределах 110—420 в. Регулирование на-

пряжения осуществляется комбиниро-

ванием следующих приемов: 1) пере-

ключения первичной обмотки со звезды

на треугольник; 2) устройства отводов

в первичной обмотке; 3) переключения

отдельных групп вторичных витков

с параллельного соединения на после-

довательное.

Выпрямительные трансформаторы.

Условия работы трансформаторов,

питающих ионные и полупроводнико-

вые выпрямители, имеют ряд су-

щественных особенностей, которые

должны быть приняты во внимание при проектировании и эксплуатации этих

трансформаторов.

В выпрямительных установках отдельные вентили и фазы вторичной обмотки

трансформатора работают поочередно. Поэтому в каждый момент времени транс-

форматор нагружен несимметрично и необходимо выбрать такую схему соедине-

ния обмоток, которая обеспечивает нормальные условия

намагничивания сердечника трансформатора и равнове-

сие н. с. на каждом стержне.

Вследствие попеременной работы отдельных фаз вто-

ричные и первичные токи трансформатора несинусоидаль-

ны и содержат ряд высших гармоник. В общем случае гар-

монический состав первичных и вторичных токов разли-

чен и поэтому полные мощности mUI обмоток также

различны. За номинальную мощность трансформатора

при этом принимается полусумма полных мощностей-яер-

вичной н вторичной обмоток.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напря-

жения и тока, а также для уменьшения гармоник тока

в первичной обмотке целесообразно увеличивать число

фаз вторичной обмотки трансформатора.

В ионных многоанодных вентилях возможны так

называемые обратные зажигаиня, когда возникают дуги

между отдельными анодами, что эквивалентно короткому

замыканию. При этом возможно нарушение равновесия

н. с. первичных и вторичных обмоток, что приводит к воз-

никновению весьма значительных электромагнитных сил,

действующих на обмотки. Поэтому крепление обмоток

выпрямительных трансформаторов должно быть особенно

надежным.

В СССР для мощных промышленных установок чаще

всего применяются трансформаторы с шестифазной вто-

ричной обмоткой (рис. 18-13), с уравнительной реактивной

катушкой между нейтралями «прямой» и «обратной» трех-

фазных групп вторичной обмоткя. Назначение этой ка-

тушки заключается в том, что она обеспечивает в каждый момент времени

параллельную работу двух вентилей и двух соседних фаз вторичной обмотки,

имеющих сдвиг э. д. с. 60°. Этим достигается лучшее использование транс-

форматора. Такой режим работы обеспечивается тем, что э. д. е., Индуктируемые

в двух половинках катушки, выравнивают напряжения в цепях одновременно

работающих двух фаз.

Рис. 18-12. Сварочный трансформатор

с реактивной катушкой

Рис. 18-13. Схе-

ма шестифазного

выпрямительного

трансформатора с

уравнительной ка'

тушкой

Гл. 18] Разновидности трансформаторов

355

Измерительные трансформаторы тока и напряжения применяются: 1) для отде-

ления цепи измерительных приборов и защитных реле от сети высокого напряже-

ния в целях безопасности обслуживания и облегчения изоляции их токоведущих

частей и 2) для преобразования тока и напряжения в величины, удобные для

измерения стандартными приборами (амперметры на 1 и 5 а, вольтметры до 100 в).

Трансформаторы тока изготовляются на номинальные мощности вторичных

обмоток 5—100 в-а, а трансформаторы напряжения — на 25—1000 в-а.

Первичная обмотка трансформатора тока JI1—JI2 включается последова-

тельно в измерительную цепь, а вторичная обмотка И1—И2 замыкается на изме-

рительные или защитные приборы, имеющие малые внутренние сопротивления

и включаемые последовательно друг с другом (рис. 18-14). Поэтому трансформа-

тор тока работает в режиме, близком к короткому за-

мыканию.

Согласно

рис. 14-5, б),

схеме замещения трансформатора (см.

Л2

Г.—

+ Ч +

'ш

М jo,

УПьГ^Ю!

h о

§±г

Схема

+ была

Г»

Рис. 18-14.

включения и век-

торная диаграмма

трансформатора

тока

не должна превышать

80', а для "классов 3 и 10 эта поУрешность не иорми-

где Z'

— приведенное значение сопротивления нагрузки

(приборов) во вторичной цепи.

В идеальном случае, когда L'

= £'

ЯГ

= О или

= — /

, погрешность трансформатора по величине тока

и углу сдвига 8 (рис. 18-14) равна нулю. Поэтому необ-

ходимо стремиться к тому, чтобы сумма

значительно меньше Z

Трансформаторы тока изготовляются с классами точ-

ности 0,2; 0,5; 1; 3 и 10. Эти цифры указывают допусти-

мую токовую погрешность в процентах при номинальном

токе. Угловая погрешность для первых трех классов

соответственно 10, 40 и

руется.

В рабочем режиме трансформатора тока его магнитный поток весьма мал и

состояние его сердечника далеко от насыщения, что способствует уменьшению

погрешностей ввиду уменьшения намагничивающего тока. Нельзя допускать

размыкания вторичной цепи трансформатора тока, так как при этом размагни-

чивающее действие вторичного тока исчезает и поток трансформатора возрастает

в десятки и сотни раз. На вторичной стороне возникает опасное для жизни напря-

жение, а сам трансформатор может выйти из строя вследствие пробоя изоляции

или чрезмерного нагрева сердечника в результате увеличения магнитных потерь.

В зависимости от величины первичного напряжения н тока, а также условий

работы (наружные и внутренние установки, лабораторные трансформаторы и

т. д.) конструктивное выполнение трансформаторов тока бывает весьма различ-

ным. Часто они имеют несколько вторичных обмоток, намбтанных на различных

сердечниках и имеющих различные классы точности.

Измерительные н защитные приборы, питаемые от трансформатора напряже-

ния, подключаются к его вторичным обмоткам параллельно. Трансформаторы

напряжения работают в условиях, близких к холостому ходу, т. е. сопротивление

их нагрузки Z'

велико по сравнению с сопротивлениями обмоток Z\ и Z'

При этом

падения напряжения в обмотках трансформатора относительно малы и погреш-

ность трансформатора также мала.

При конструировании трансформатора стремятся к возможному уменьшению

сопротивлений обмоток Z\ и Z'

. Трансформаторы напряжения изготовляются

с классами точности 0,2; 0,5; 1 и 3. Конструктивное выполнение этих трансфор-

маторов также весьма разнообразно.

Рис. 18-15. Схема вклю

чеиия и кривце измене

ния напряжений пик

трансформатора

Пик-трансформаторы (рис. 18-15) дают вторичное напряжение в виде резкого,

весьма кратковременного импульса и применяются для зажигания дуги в управ-

ляемых ионных приборах (тиратроны, игиитроиы

и др.). Такая форма вторичного напряжения полу-

чается в результате применения весьма сильно

насыщающегося сердечника трансформатора, когда

магнитный поток иа протяжении почти всего полу-

периода почти постоянен и резко изменяется

только при перемене своего направления.

При постоянстве Потока (Ф = const)

£*Ф „

* = О

и для погашения напряжения и ограничения

тока ix в схему рис. 18-15 вводится сопротивле-

ние R.

Реакторы и реактивные катушки со стальным

сердечником в сущности не являются трансформа-

торами, однако по своему устройству аналогичны

им. Они имеют только одну обмотку н приме-

няются в электрических цепях в качестве токо-

ограничивающих индуктивных сопротивлений и

потребителей реактивной мощности. При больших мощностях такие реактивные

катушки принято называть реакторами.

Можно представить себе, что реактивная катушка получается в результате

удаления из трансформатора вторичной обмотки. При этом реактивная катушка

работает как трансформатор иа холостом ходу. Однако

такая катушка будет иметь относительно малую мощность

S — m 111, так как ток холостого хода трансформатора

мал. При этом материалы катушки будут в значительной

степени недоиспользованы, а, кроме того, индуктивность

катушки будет непостоянна и при синусоидальном напря-

жении ток не будет синусоидальным. Лучшие результаты

получаются, если в магнитной цепи выполнить немагнит-

ные зазоры 6 в виде прокладок из изоляционного Мате-

риала (рис. 18-16.). Тогда ток и мощность катушки увели-

чатся, а нелинейность магнитной характеристики сердеч-

ника теряет значение, так как магнитное сопротивление

такого сердечника определяется главным образом сопроти-

влением зазоров. Вместо одного зазоре обычно выполняют

ряд зазоров меньшей величины, чтобы ие допустить силь-

ного «выпучивания» магнитного поля из области сердечника

в окружающее пространство.

Реакторы и реактивные катушки выполняются как одно-

фазными, так и трехфазными. В некоторых случаях они

изготовляются с регулируемым индуктивным сопротивлением. Это достигается

изменением числа витков или изменением величины воздушных зазоров путем

осевого перемещения частей сердечников. Применяются также реактивные ка-

тушки с подмагничиванием сердечника постоянным током (см. § 18-3). В этом

случае сердечники выполняются без зазоров.

Рис. 18-16. Уст-

ройство одно-

фазного реакто-

ра со стальным

сердечником и

воздушными за-

зорами 6

Раздел третий

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

ТЕОРИИ МАШИН

ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА

Основные виды машин и их

устройство. Электродвижущие

силы обмоток. Обмотки. На-

магничивающие силы обмоток.

Магнитные поля и индуктивные

сопротивления обмоток.

Глава девятнадцатая

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

И ИХ УСТРОЙСТВО

§ 19-1. Основные виды машин переменного тока

На практике применяются преимущественно трехфазные (т = 3)

машины переменного тока. Машины с другим числом фаз (т = 2, 6)

используются для специальных целен.

Однако действие всех многофазных машин основано на

принципе вращающегося магнитного поля, и поэтому их теория

является общей.

Однофазные машины переменного тока имеют ограниченное при-

менение.

Ниже прежде всего рассматриваются трехфазные мащины

переменного тока. Они подразделяются на три основных вида:

синхронные, асинхронные и коллекторные.

Все виды машин переменного тока рассчитываются на работу

при синусоидальном переменном- токе.

В синхронных машинах нормальных типов ротор вращается

с такой же скоростью и в том же направлении, как и вращаю-

щееся магнитное поле. Таким образом, вращение ротора про-

исходит в такт, или синхронно, с вращающимся полем, откуда

и происходит название этого вида машин.

Синхронные машины используются прежде всего в качестве

генераторов, и за незначительным исключением на электри-

ческих станциях переменного тока устанавливаются синхронные

генераторы. Однако все более расширяется также применение

синхронных машин в качестве двигателей.

Ротор асинхронных машин вращается несинхронно, или асин-

хронно, по отношению к вращающемуся магнитному полю,

чем и обусловлено название этих машин.

На практике асинхронные машины используются главным обра-

зом в качестве двигателей, и подавляющее число применяемых

в промышленности электрических двигателей являются асин-

хронными.

Коллекторные машины переменного тока также вращаются

несинхронно с магнитным полем, и в этом смысле они являются

асинхронными машинами. Однако ввиду наличия у них коллектора

и связанных с этим особенностей они выделяются в отдельный

вид машин переменного тока. Наибольшее применение коллектор-

ные машины находят в качестве двигателей. Однако их использо-

вание ограничено, и поэтому главнейшими видами машин пере-

менного тока являются асинхронные и синхронные машины.

Общие вопросы теории многофазных машин переменного тока

целесообразно рассмотреть совместно, предварительно приведя

краткое описание принципов действия и устройства основных

видов машин переменного тока.

§ 19-2. Устройство и принцип действия асинхронной машины

Устройство асинхронной машины. Неподвижная часть машины

переменного тока называется статором, а подвижная часть —

ротором. Сердечники статора и ро-

тора асинхронных машин собираются

из листов электротехнической стали

(рис. 19-1), которые до сборки обычно

покрываются с обеих сторон масляно-

канифольным изоляционным лаком.

Сердечники машин малой мощности

иногда собираются из листов без ла-

кового покрытия, так как в этом слу-

чае достаточной изоляцией является

естественный или искусственно создан-

ный слой окислов на поверхности листов

стали.

На рис. 19-2 представлена фотогра-

фия асинхронного двигателя малой мощ-

ности в разобранном виде, на которой

видны статор, ротор и подшипниковые щиты. На рис. 19-3 дан

чертеж асинхронного двигателя средней мощности.

Рис. 19-1. Листы сердечни-

ков статора (1) и ротора (2)

асинхронной машины малой

и средней мощности

Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора —

на валу (машины малой и средней мощности) или на ободе с кре-

стовиной и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности).

Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в под-

шипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора (машины

малой и средней мощности), или на отдельно стоящих подшипни-

ковых стояках.

На внутренней цилиндрической поверхности статора и на

внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы,

Рис. 19-2. Фотография асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

типа А71-6 мощностью 14 кет в разобранном виде

в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора.

Обмотка статора выполняется обычно трехфазной (см. гл. 21)',

присоединяется к сети трехфазного тока и называется поэтому

также первичной обмоткой. Обмотка ротора тоже может быть

выполнена трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз

такой обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала

с помощью контактных колец и металлографитных щеток выво-

дятся наружу (рис. 19-3). Такая асинхронная машина называется

машиной с фазным ротором. К контактным коль-

цам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулиро-

вочный реостат. Фазная обмотка ротора выполняется с тем же числом

полюсов магнитного поля, как и статор.

Другая разновидность обмотки ротора—обмотка в виде бе-

личьей клетки (рис, 19-4). Прн этом в каждом пазу нахо-

дится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней

с обоих торцов ротора соединены с медными или алюминиевыми же

кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Стержни от

сердечника обычно не изолируются. В машинах мощностью до

100 ктп стержни и кольца вместе с крылышками для вентиля-

ции обычно изготовляются путем заливки ротора алюминием

1 — кабельная муфта, 2 — выводная коробка концов обмотки статора, 3 — кольце"

вые шпопкн крепленая сердечника ротора, 4 — нажимные шайбы сердечника ротора,

5 — вал рртора, 6 я 30 — шариковый в роликовый подшипники, 7 — медные соедини-

тельные хомутики стержней обмотки ротора. 8 — диффузоры для направления посту-

пающего через подшипниковые щиты охлаждающего воздуха, 9 — стержни обмотки,

ротора, 10 — бандажные кольца, II — обмотка статора, 12 — проволочные бандажш

ротора, 13 — подъемные кольца, Ц — дуговые шпонки, 15 — кольцевые изоляционные

прокладки, 16 — радиальные вентиляционные каналы, 17 — сердечник ротора, IS —ч

литой корпус _статора, 19 — сердечник статора, 20 и 21 — нажимнаде пальцы и колвцф

сердечника статора, 22 — кольцо для соединения концов обмотки ротора в эвезду, 23 —^

междукатушечные и междугрупповые соединения обиотки статора, 34 — выводы кои-

цяа обмотщ ротора к контактным кольцам,, 25 и 27 — коробка я колпак контактных,

колец, 26 — контактные кольца, 28 — подвижная втулка с иоитакгамн для замыкаии*

выводов обмотки ротора накоротко, 29 — муфта для вывода концов обмотки р{>т<?р*

к внешней цепи

(см. ряс. 19-2). Такая асинхронная машина называется машиной

е короткозамкнутым ротором. Большинство асин*

хронных машин, в особенности машины малой и средней мощности,

выпускается с короткозамкнутым ротором.

Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных

машинах выполняется минимально возможным по условиям про-

изводства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машины,

В машинах мощностью в несколько киловатт величина зазора