Опыт короткого замыкания трансформатора

Следует различать короткое замыкание в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания.

Коротким замыканием трансформатора называется его режим, когда вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко. В эксплуатационных условиях короткое замыкание является аварийным режимом, при котором внутри трансформатора выделяется большое количество теплоты, способное его разрушить.

Опыт короткого замыкания выполняется при сильно пониженном до небольшого значения первичном напряжении (примерно 5-10% номинального первичного напряжения). Его значение выбирают так, чтобы ток I₁ в первичной обмотке был равен номинальному значению, несмотря на короткое замыкание вторичной обмотки. При помощи комплекта измерительных приборов (рис. 103) посредством опыта определяются напряжение U_1к, ток I_1k и мощность P_1k.

Ток I₂ при номинальном значении I₁также будет иметь номинальное значение. Эдс Е₂ при этом опыте будет лишь покрывать внутреннее падение напряжения, т. е. E_2K = I₂z₂, а при номинальной нагрузке

₂ = ₂ + ₂

поэтому Е_2k составляет лишь несколько процентов от Е₂. Малой эдс Е₂ соответствует малый основной магнитный поток. Потери энергии в магнитопроводе пропорциональны квадрату магнитного потока, поэтому при опыте короткого замыкания они незначительны. Но в обеих обмотках при этом опыте токи имеют номинальные значения, поэтому потери энергии в обмотках такие же, как и при номинальной нагрузке. Следовательно, мощность Р_1к, получаемая трансформатором из сети при опыте короткого замыкания, затрачивается на потери энергии в проводах обмоток:

P_1K=I²₁r₁+I²₂r₂. (81)

103. Схема включения приборов при опыте короткого замыкания

Вместе с тем на основании напряжения короткого замыкания определяется (в % к первичному напряжению) падение напряжения в трансформаторе при номинальной нагрузке. По этим соображениям напряжение короткого замыкания (при короткозамкнутой обмотке низшего напряжения) всегда указывается на щитке трансформатора.

Трехфазный трансформатор.

Для передачи энергии не применяют однофазный переменный ток. Для этих целей получил широкое распространение трехфазный ток. Поэтому большинство трансформаторов являются трехфазными.

Можно трансформировать трехфазный ток, пользуясь тремя однофазными трансформаторами, первичные и вторичные обмотки которых соединены в трехфазную систему — в звезду или треугольник. Именно так и работают мощные однофазные трансформаторы, устанавливаемые на крупных электростанциях. Они подключены к соответствующим фазам генераторов своими первичными обмотками; вторичные их обмотки, соединенные в звезду, подключены к соответствующим фазам дальней линии передачи.

Можно иметь трехфазный трансформатор и в одной единице. Магнитопровод такого трансформатора состоит из трех стержней, замыкаемых сверху и снизу ярмами (рисунок 1). На каждый из стержней насаживают по одной первичной и вторичной обмотке. Первичные обмотки соединяют в звезду или треугольник, так же соединяют и вторичные обмотки. Стержень с обмотками представляет собой однофазный трансформатор. Поэтому все, что было сказано рапсе об однофазном трансформаторе, целиком относится и к отдельной фазе трехфазного.

Рисунок 1 - Схема трехфазного трехстержневого трансформатора

В каждом стержне трехфазного трансформатора возникает магнитный поток, созданный током первичной обмотки. Но каждая первичная обмотка принадлежит одной из фаз трехфазной системы. Поэтому протекающие по обмоткам токи, так же как и приложенные напряжения, являются трехфазными, следовательно, магнитные потоки тоже трехфазные.

До сих пор мы считали, что магнитный поток обязательно замыкается, т. е. пройдя по стержню, проходит обратный путь к началу того же стержня. Однако в трехфазном трансформаторе такого обратного пути нет и в нем (при одинаковой нагрузке фаз) нет необходимости, как нет нужды и в нейтральном соединении в звезду.

Каждый из потоков циркулирует только по своему стержню, а все вместе они сходятся в серединах верхнего и нижнего ярм — точках D и Е. В этих точках потоки складываются, но так как они сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 120°, то складываются геометрически. Как известно, геометрическая сумма таких величин равна нулю. Значит, каждый из магнитных потоков проходит только по своему стержню, не имеет обратного пути, а сумма всех трех потоков равна нулю. Потоки крайних фаз А и С проходят не только по стержню, но и по половине верхнего и нижнего ярм. Поток средней фазы В проходит только по своему стержню. Поэтому и токи холостого хода крайних фаз всегда больше, чем ток холостого хода средней фазы.

Измерительные трансформаторы и автотрансформаторы.

Автотрансформаторы В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору: на стальном магнитопроводе помещены две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного сечения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки образуют общую обмотку высшего напряжения. Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора. Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжений автотрансформатора имеется не только магнитная, но и электрическая связь. Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на рисунке. Первичное напряжение подведено к зажимам А - х первичной обмотки с числом витков 1. Вторичной обмоткой является часть первичной а - х с числом витков 2. При холостом ходе I2 = 0, пренебрегая падением напряжения в активных сопротивлениях обмоток, можно записать уравнения равновесия эдс для первичной и вторичной обмоток: U1 = E1 = 4,44 1fФm и U2 = E2 = 4,44 2fФm. Отношение напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэффициентом трансформации автотрансформатора, т. е.U1/U2= 1/ 2 = n. Если вторичную обмотку автотрансформатора замкмуть на какой-либо приемник энергии, то во вторичной цепи будет проходить ток I2. Пренебрегая потерями энергии, мощность, потребляемую автотрансформатором из сети, можно принять равной мощности, отдаваемой во вторичную сеть, т. е. P = U1I1 = U2I2, откуда I1/I2 = 2/ 1 = 1/n. Таким образом, основные соотношения трансформатора остаются без изменения в автотрансформаторах. В общей части обмотки а - х, принадлежащей сети высшего и низшего напряжения, проходят токи I1 и I2, направленные встречно. Если пренебречь током холостого хода, величина которого очень мала то можно считать, что токи I1 и I2сдвинуты по фазе на 180 и ток I12 в части обмотки а - хравен арифметической разности токов вторичной и первичной цепей, т. е. I12 = I2 - I1 = I2(1 - 1/n). В понижающем автотрансформаторе ток I12 совпадает по направлению с током I2, в повышающем — направлен противоположно току I2.

Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором той же полезной мощности является меньший расход активных материалов - обмоточного провода и стали, меньшие потери энергии, более высокий кпд, меньшее изменение напряжения при изменении нагрузки. Масса провода обмоток автотрансформатора меньше массы провода обмоток трансформатора при одинаковых плотностях тока. Это объясняется тем, что у трансформатора на магнитопроводе имеются две обмотки — первичная с числом витков 1, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I1, и вторичная с числом витков 2, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I2. У автотрансформатора также две обмотки, но одна из них (частьА — а) имеет число витков ( 1- 2) из провода, поперечное сечение которого рассчитано на ток I1, а другая (частьа — х) с числом витков 2 из провода, поперечное сечение которого рассчитано на разность токов I2 - I1 = I12. Поперечное сечение и масса стали магнитопровода автотрансформатора также меньше сечения и массы стали магнитопровода трансформатора. Это объясняется тем, что в трансформаторе энергия из первичной сети во вторичную передается магнитным путем в результате электромагнитной связи между обмотками. В автотрансформаторе энергия из первичной сети во вторичную частично передается путем электрического соединения первичной и вторичной сети, т. е. электрическим путем. Так как в процессе передачи этой энергии магнитный поток не участвует, у автотрансформатора электромагнитная мощность меньше, чем у трансформатора. Полезная мощность автотрансформатора при активной нагрузке равна: Р2 = U2I2. Имея в виду, что I2 = I1 + I12, получим: Р2 = U2I1 + U2I12 = Pэ + Pм, где Pэ - мощность, электрически поступающая во вторичную обмотку,Рм - электромагнитная мощность автотрансформатора, определяющая необходимый магнитный поток, поперечное сечение и массу стали магнитопровода. Эта мощность является расчетной или габаритной мощностью автотрансформатора. Наряду с преимуществами автотрансформаторов перед трансформаторами они имеют существенные недостатки: малое сопротивление короткого замыкания, что обусловливает большую кратность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения из-за электрической связи между этими сетями. Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применять автотрансформатор в том случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устройствах). Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем сильнее, чем коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах трансформации (n = 1 2). В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформаторы, обмотки которых обычно соединяются звездой.

Измерительные трансформаторы Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Их применяют в цепях переменного тока для расширения пределов измерения измерительных приборов и для изоляции этих приборов от токопроводящих частей, находящихся под высоким напряжением. Трансформаторы напряжения конструктивно представляют собой обычные трансформаторы малой мощности. Первичная обмотка такого трансформатора включается в два линейных провода сети, напряжение которой измеряется или контролируется; во вторичную обмотку включают вольтметр или параллельную обмотку ваттметра, счетчика или другого измерительного прибора. Коэффициент трансформации трансформатора напряжения выбирают таким, чтобы при номинальном первичном напряжении напряжение вторичной обмотки было 100 В. Режим работы трансформатора напряжения подобен режиму холостого хода обычного трансформатора, так как сопротивление вольтметра или параллельной обмотки ваттметра, счетчика и т. п. велико и током во вторичной обмотке можно пренебречь. Включение во вторичную обмотку большого числа измерительных приборов нежелательно. Если параллельно вольтметру, включенному но вторичную обмотку трансформатора, подсоединить еще один вольтметр или параллельную обмотку ваттметра, счетчика и т. п., то ток во вторичной обмотке трансформатора увеличится, что вызовет падение напряжения на зажимах вторичной обмотки, и точность показания приборов понизится. Трансформаторы тока служат для преобразования переменного тока большой величины в ток малой величины и изготовляются таким образом, чтобы при номинальном токе первичной цепи во вторичной обмотке ток был 5 А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в разрез линейного провода (последовательно с нагрузкой), ток в котором измеряется; вторичная обмотка замкнута на амперметр или на последовательную обмотку ваттметра, счетчика и т. п., т. е. соединена с измерительным прибором, имеющим малое сопротивление. Режим работы трансформатора тока существенно отличен от режима работы обычного трансформатора. В обычном трансформаторе при изменении нагрузки магнитный поток в сердечнике остается практически неизменным, если постоянно приложенное напряжение. Если в обычном трансформаторе уменьшить нагрузку, т. е. силу тока во вторичной обмотке, то и в первичной обмотке сила тока понизится, и если вторичную обмотку разомкнуть, то сила тока в первичной обмотке уменьшится до тока холостого хода I0. При работе трансформатора тока его вторичная обмотка замкнута на измерительный прибор с малым сопротивлением и режим работы трансформатора близок к короткому замыканию. Поэтому магнитный поток в магнитопроводе трансформатора мал. Если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора тока, то тока в этой обмотке ие будет, тогда как в первичной обмотке ток останется неизменным. Таким образом, при разомкнутой вторичной обмотке трансформатора тока магнитный поток в магнитопроводе, возбужденный током первичной обмотки и не встречающий размагничивающего действия тока вторичной обмотки, окажется очень большим и, следовательно, эдс вторичной обмотки, имеющей большое число витков, достигает величины, опасной для целостности изоляции этой обмотки и для обслуживающего персонала. Поэтому при выключении измерительных приборов из вторичной обмотки трансформатора тока эту обмотку необходимо замкнуть накоротко. Включение большого числа измерительных приборов во вторичную обмотку трансформатора тока снижает точность измерения. Конструкции трансформаторов тока в зависимости от назначения чрезвычайно разнообразны и делятся на стационарные и переносные. Схема измерительных трансформаторов: a - напряжения, б - тока При работе измерительных трансформаторов напряжения и тока возможен пробой изоляции их первичных обмоток и, как следствие пробоя, электрическое соединение первичной обмотки с сердечником или со вторичной обмоткой. Для безопасности обслуживания сердечники и вторичные обмотки измерительных трансформаторов заземляются. Условные обозначения измерительных трансформаторов показаны на рисунке.

Асинхронные машины.

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Достоинства:

1. Лёгкость в изготовлении.

2. Отсутствие механического контакта со статической частью машины.

Недостатки:

1. Небольшой пусковой момент.

2. Значительный пусковой ток.

Машины постоянного тока.

Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного токаобратима.

Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный.

Машина постоянного тока

Различают следующие виды машин постоянного тока:

По наличию коммутации:

· с коммутацией (обычные);

· без коммутации (униполярный генератор и униполярный электродвигатель);

· по типу переключателей тока:

· с коллекторными переключателями тока (с щёточно-коллекторным переключателем);

· с бесколлекторными переключателями тока (с электронным переключателем (вентильный электродвигатель)).

По мощности:

· микромашины — до 500Вт;

· малой мощности — 0,5-10 кВт;

· средней мощности — 10-200 кВт;

· большой мощности — более 200 кВт.

в зависимости от частоты вращения:

· тихоходные — до 300 об./мин.;

· средней быстроходности — 300—1500 об./мин.;

· быстроходные — 1500-6000 об./мин.;

· сверхбыстроходные — более 6000 об./мин.

по расположению вала:

· горизонтальные;

· вертикальные.

Принцип действия

Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило предназначены, заводом изготовителем, для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя.

Электродвигатель

Электродвигатели постоянного тока стоят почти на каждом автомобиле, это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор «печки» и др.

В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «буравчика». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180 градусов, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР).

Генератор

В генераторе индуктором также является статор, создающий постоянное магнитное поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках обмотки якоря, перемещающихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора, через неподвижные щетки, посредством которых обмотка соединяется с внешней сетью.

Автомобильный генератор представляет собой генератор переменного трёхфазного тока с трёхфазным выпрямителем на шести диодах по схеме академика Ларионова.

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).

На рис. 11.1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.

Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5. Рис. 11.1

Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.