Основи електротехніки

ТЕМА 7 (1 година): "Змінний струм та кола змінного струму"

04.11.2021 Тема уроку "Електричні машини змінного струму. Електричні машини постійного струму".

Електричні машини змінного струму.

Принцип дії асинхронного двигуна заснований на використанні обертового магнітного поля та основних законів електротехніки. При включенні двигуна в мережу трифазного струму в статорі утворюється обертове магнітне поле, силові лінії якого перетинають стрижні або котушки обмотки ротора. Відповідно до закону електромагнітної індукції, в обмотці ротора наводиться індукція ЕРС, пропорційна частоті перетину силових ліній. Під дією індукованої ЕРС в короткозамкненому роторі виникають значні струми. Відповідно до закону Ампера на провідники зі струмом, що знаходяться в магнітному полі, діють механічні сили, які за принципом Ленца прагнуть усунути причину, яка викликає індукований струм, тобто перетин стрижнів обмотки ротора силовими лініями обертового поля. Таким чином, механічні сили, що при цьому виникають будуть розкручувати ротор у напрямку обертання поля, зменшуючи швидкість перетину стрижнів обмотки ротора магнітними силовими лініями. Досягти частоти обертання поля в реальних умовах ротор не може, так як тоді стрижні його обмотки виявилися б нерухомими щодо магнітних силових ліній, а індуковані струми в обмотці ротора зникли б. Тому ротор обертається з частотою, меншою частоти обертання поля, тобто не синхронно (асинхронно) з полем. Якщо сили, які гальмують обертання ротора, невеликі, то ротор досягає частоти, близькою до частоти обертання поля. При збільшенні механічного навантаження на валу двигуна частота обертання ротора зменшується, струми в обмотці ротора збільшуються, що призводить до збільшення крутильного моменту двигуна. При деякій частоті обертання ротора встановлюється рівновага між гальмівним та обертовим моментами.

Електричні машини постійного струму.

Для розуміння сутності роботи електричної машини необхідно згадати фізичні закони, якими описуються основні електромагнітні явища: закон електромагнітної індукції і закон Ампера. Ці закони разом із законами Кірхгофа та Ома дозволяють описати основні процеси, які відбуваються в електричних машинах. Робота будь-якої електричної машини (генератора або двигуна постійного та змінного струму) характеризується взаємодією двох направлених назустріч один одному обертальних моментів, один з яких створюється механічними, а другий – електромагнітними силами. Крім того, робота двигуна і генератора характеризується взаємодією напруги мережі та ЕРС, виникаючої в обмотці якоря.

Генератор постійного струму.

В генераторі постійного струму енергія механічного руху перетворюється в електричну енергію. Двигун, у якості якого зазвичай використовують турбіну, або двигун внутрішнього згоряння, обертає якір у магнітному полі збудження. Внаслідок його обертання зменшується магнітний потік, який пронизує витки обмотки якоря. При цьому індукована ЕРС, є пропорційною швидкості змінювання магнітного потоку: |𝑒| = 𝜔 𝑑Ф 𝑑𝑡 , де 𝜔 – кількість витків, які пронизуються змінним магнітним потоком Ф; 𝑑Ф 𝑑𝑡 – похідна магнітного потоку по часу, або швидкість зміни магнітного потоку. Формула, що вище наведена, виражає закон електромагнітної індукції, яка показує, що для постійної ЕРС 𝐸 необхідно рівномірно (з постійною швидкістю) збільшувати або зменшувати магнітний потік Ф. В реальному генераторі постійного струму магнітний потік, що пронизує кожен виток обмотки якоря, періодично змінюється. Відповідно змінюється і ЕРС у кожному витку обмотки за значенням і напрямком. Для отримання постійної ЕРС використовують різні випрямлячі, зокрема генератор постійного струму, який постачається механічним випрямлячем – колектором. Колектор автоматично переключає кінці витків обмотки при зміні напрямку ЕРС. Чим більше потужність споживачів електричної енергії, підключених до генератора, тим більше струм в обмотці якоря та більші сили, що перешкоджають його обертанню. Двигун постійного струму. Якщо підключити машину постійного струму до електричної мережі, через обмотку якоря потече струм. У відповідності до закону Ампера на провідники обмотки якоря, що знаходиться у магнітному полі збудження, діють механічні сили. Ці сили створюють обертальний момент, під дією якого якір починає розкручуватись. Обертальний вал якоря використовують для приводу у дію різних механізмів: підйомних та транспортних засобів, станків, швейних машин та ін. Виходячи з закону збереження енергії можна вважати, що потужність, яка споживається двигуном із мережі, тим більша, чим більше механічне навантаження на його валу. Однак, для розуміння сутності роботи електричного двигуна важно прослідкувати, яким чином зміна механічного навантаження позначається на електричній потужності, яка споживається двигуном. Розберемося в цьому. Обмотка якоря двигуна обертається у магнітному полі збудження. В цих умовах у відповідності з законом електромагнітні індукції в обмотці якоря виникає ЕРС. Застосовуючи правило правої руки, неважко встановити, що вона направлена назустріч прикладеній напрузі мережі. Тому її назвали проти-ЕРС. Сама протидіюча ЕРС є фактором, який регулює споживання електричної потужності з мережі. Згідно з законом електромагнітні індукції, протидіюча ЕРС прямо пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, який пронизує витки обмотки якоря. Отже, зі зменшенням частоти обертання якоря зменшується і протидіюча ЕРС. Якщо механічне навантаження на валу двигуна відсутнє (двигун працює вхолосту), обертальному моменту двигуна перешкоджають тільки моменти тертя і частота обертання якоря досягає максимального значення. При цьому проти-ЕРС практично повністю компенсує напругу мережі та через обмотку якоря проходить мінімальний струм. Відповідно електрична потужність, яка споживається з мережі, мінімальна. При підключенні механічного навантаження частота обертання якоря зменшується, а отже, зменшується і значення проти-ЕРС. Струм та електрична потужність, які споживаються двигуном з мережі, зростуть. Таким чином, проти-ЕРС у двигуні виконує функції дроселя, регулюючого надходження потужності з мережі. 128

Контрольні запитання

1. Поясніть сутність обертового магнітного поля.

2. Охарактеризуйте будову асинхронного двигуна.

3. У чому полягає принцип дії асинхронного двигуна?

4. Охарактеризуйте пристрій електричних машин постійного струму.

5. Охарактеризуйте генератори постійного струму незалежного збудження.

ТЕМА 6 (1 година): "Трансформатори"

29.10.2021 Тема уроку "Принцип дії та будова трансформаторів. Коефіцієнт трансформації"

Трансформатор призначений для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги. Збільшення напруги здійснюється за допомогою підвищувальних трансформаторів, зменшення - понижуючих.

Трансформатори застосовують на лініях електропередачі, в техніці зв`язку, в автоматиці, вимірювальній техніці та інших областях. Відповідно до призначення розрізняють:

• силові трансформатори для живлення електричних двигунів і освітлювальних мереж;

• спеціальні трансформатори для живлення зварювальних апаратів, електропечей та інших споживачів особливого призначення;

• вимірювальні трансформатори для підключення вимірювальних приладів.

За кількістю фаз трансформатори поділяються на одно- та трифазні. Трансформатори, що використовуються в радіотехніці, техніці зв'язку та в інших областях, поділяють на низько- та високочастотні. Розрахункові потужності трансформаторів різні і становлять - від часток вольт-ампер до десятків тисяч кіловольт-ампер; робочі частоти - від одиниць герц до сотень кілогерц.

Трансформатор - простий, надійний і економічний електричний апарат. Він не має рухомих частин чи ковзних контактних з'єднань, його ККД досягає 99 %. ККД трансформатора 𝜂, який визначається як відношення потужності на виході 𝑃2 до потужності на вході 𝑃1, залежить від навантаження. Сучасні трансформатори розраховують таким чином, що максимум ККД досягається при навантаженні, що дорівнює приблизно половині номінального значення.

Будова трансформатора.

Трансформатор являє собою замкнутий магнітопровід, на якому розташовані дві або кілька обмоток. У малопотужних високочастотних трансформаторах, використовуваних в радіотехнічних схемах, магнітопроводом може бути повітряне середовище. Для зменшення втрат на гістерезис магнітопровід виготовляють з магнітом`ягкого матеріалу - трансформаторної сталі, що має вузьку петлю намагнічування. Для зменшення втрат на вихрові струми в матеріал магнітопроводу вводять домішку кремнію, що підвищує його електричний опір, а сам магнітопровід збирають з окремих листів електротехнічної сталі товщиною 0,35 - 0,5 мм, ізольованих один від одного теплостійким лаком або спеціальним папером. Розрізняють трансформатори стрижневого і броньового типів. Останній добре захищає обмотки котушок від механічних пошкоджень. Верхню частину, звану ярмом, кріплять після насадки на стрижень котушок (обмоток). Обмотки трансформаторів виготовляють з мідного дроту і розміщують на одному і тому ж або на різних стрижнях, поруч або одну під інший. В останньому випадку безпосередньо до стрижня примикає обмотка нижчої напруги, а над нею розміщується обмотка вищої напруги.

Конструкція однофазного малопотужного трансформатора стрижневого (а) та броньового (б) типів Обмотку трансформатора, до якої підводиться напруга мережі живлення, називають первинною, а обмотку, до якої приєднується навантаження, - вторинною. На осерді може бути розміщено декілька вторинних обмоток з різним числом витків, що дозволяє отримати різні за значенням вторинні напруги. При роботі трансформатора за рахунок струмів в обмотках, а також внаслідок перемагнічування магнітопроводу й вихрових струмів виділяється теплота. Трансформатори невеликої потужності (до 10 кВ • А), для яких досить повітряного охолодження, називають сухими. У потужних трансформаторах застосовують олійне охолодження . Магнітопровід з обмотками розміщується в баку , заповненому мінеральною (трансформаторною) олією. Олія не тільки відводить теплоту за рахунок конвекції або примусової циркуляції, але і є хорошим діелектриком (ізолятором). Олійні трансформатори надійні в роботі і мають менші розміри і масу в порівнянні з сухими трансформаторами тієї ж потужності. При зміні температури об'єм олії змінюється. При підвищенні температури надлишок олії поглинається розширником , а при зниженні температури олія з розширювача повертається в основний бак.

Трифазний силовий трансформатор.

У тих випадках, коли потрібно плавно змінювати вторинну напругу, застосовують ковзний контакт для зміни числа витків обмотки (приблизно так само, як це робиться в повзункових реостатах). Ковзний контакт широко використовується в автотрансформаторах, розрахованих на регулювання напруги в невеликих межах.

Принцип дії однофазного трансформатора.

Коефіцієнт трансформації Робота трансформатора заснована на явищі взаємної індукції, яке є наслідком закону електромагнітної індукції. Відношення чисел витків обмоток трансформатора називають коефіцієнтом трансформації. На підставі закону електромагнітної індукції можна записати: 𝑒1 = −𝜔1 𝑑Ф 𝑑𝑡 ; 𝑒2 = −𝜔2 𝑑Ф 𝑑𝑡 . Поділивши одне рівність на іншу, отримаємо 𝑒2⁄𝑒1 = 𝜔2⁄𝜔1 = 𝑘. 89 Отже, в будь-який момент часу відношення миттєвих значень ЕРС вторинної та первинної обмоток дорівнює коефіцієнту трансформації. Не важко зрозуміти, що це можливо тільки при повному збігу по фазі ЕРС 𝑒1 і 𝑒2. Якщо коло вторинної обмотки трансформатора розімкнути (режим холостого ходу), то напруга на затискачах обмотки одно її ЕРС: 𝑈2 = 𝐸2, а напруга джерела живлення майже повністю врівноважиться ЕРС первинної обмотки 𝑈 ≈ 𝐸1. Отже, можна написати, що 𝑘 = 𝐸2⁄𝐸1 ≈ 𝑈2⁄𝑈1. Таким чином, коефіцієнт трансформації може бути визначений на підставі вимірювань напруги на вході і виході ненавантаженого трансформатора. З огляду на високий ККД трансформатора, можна вважати, що 𝑆1 ≈ 𝑆2, де 𝑆1 = 𝑈1𝐼1 - потужність, споживана з мережі; 𝑆2 = 𝑈2𝐼2 - потужність, що вiддана до навантаження. Таким чином, 𝑈1𝐼1 ≈ 𝑈2𝐼2, звідки 𝐼1⁄𝐼2 ≈ 𝑈2⁄𝑈1 = 𝑘. Відношення струмів первинної і вторинної обмоток приблизно дорівнює коефіцієнту трансформації, тому струм 𝐼2 в стільки разів збільшується (зменшується), у скільки разів зменшується (збiльшується) 𝑈2.

Трифазні трансформатори У лініях електропередачі використовують в основному трифазні силові трансформатори. Магнітопровід трифазного трансформатора має три стрижня, на кожному з яких розміщуються дві обмотки однієї фази . Для підключення трансформатора до ліній електропередачі на кришці бака є вводи, що представляють собою порцелянові ізолятори, всередині яких проходять мідні стрижні. Розміщення обмоток В осерді трифазного трансформатора Підведення більшої напруги позначають буквами 𝐴,𝐵, 𝐶, вводи нижчої напруги - буквами𝑎, 𝑏, 𝑐. Введення нульового дроту у своєму розпорядженні зліва від введення 𝑎 позначають 𝑂 Розташування та маркування виводів на кришці баку трансформатора . Принцип роботи, а також електромагнітні процеси в трифазному трансформаторі аналогічні розглянутим раніше. Особливістю трифазного трансформатора є залежність коефіцієнта трансформації лінійної напруги від способу з'єднання обмоток.

Автотрансформатори та вимiрювальнi трансформатори.

У автотрансформатора частина витків первинної обмотки використовується в якості вторинної обмотки, тому крім магнітного зв'язку є ще електричний зв'язок між первинним і вторинним колами. Відповідно до цього енергія з первинного кола у вторинний передається як за допомогою магнітного потоку, що замикається за магнітопроводом, так і безпосередньо по дротах. Оскільки формула трансформаторної ЕРС може бути застосована до обмоток автотрансформатора так само, як і до обмоток трансформатора, коефіцієнт трансформації автотрансформатора виражається відомими відношеннями: 𝑘 = 𝜔2⁄𝜔1 = 𝐸2⁄𝐸1 ≈ 𝑈2⁄𝑈1 ≈ 𝐼1⁄𝐼2. 92 Внаслідок електричного з'єднання обмоток через частину витків, що належать одночасно первинному та вторинному колам, проходять струми 𝐼1 і 𝐼2, які спрямовані зустрічно і при невеликому коефіцієнті трансформації мало відрізняються один від одного за значенням. Тому їх різниця виявляється невеликою й обмотку 𝜔2 можна виконати з тонкого дроту. Таким чином, при 𝑘 = 0,5 ÷ 2 економиться значна кількість міді. При більших або менших коефіцієнтах трансформації ця перевага автотрансформатора зникає, так як та частина обмотки, по якій проходять зустрічні струми 𝐼1 і 𝐼2, зменшується до кількох витків, а сама різниця струмів збільшується. Електричне з'єднання первинного та вторинного кіл підвищує небезпеку при експлуатації апарату, так як при пробої ізоляції в зменшуваному автотрансформаторі оператор може опинитися під високою напругою первинного кола. Автотрансформатори застосовують для пуску потужних двигунів змінного струму, регулювання напруги в освітлювальних мережах, а також в інших випадках, коли необхідно регулювати напругу в невеликих межах. Вимірювальні трансформатори напруги і струму використовують для включення вимірювальних приладів, апаратури автоматичного регулювання та захисту в високовольтних колах. Вони дозволяють зменшити розміри і масу вимірювальних пристроїв, підвищити безпеку обслуговуючого персоналу, розширити межі вимірювання приладів змінного струму. Вимірювальні трансформатори напруги служать для включення вольтметрів і обмоток напруги вимірювальних приладів Оскільки ці обмотки мають великий опір і споживають незначну потужність, можна вважати, що трансформатори напруги працюють у режимі холостого ходу.

Схема вмикання та умовне позначення вимірювального трансформатора напруги.

Вимірювальні трансформатори струму використовують для включення амперметрів та струмових котушок вимірювальних приладів . Ці котушки мають дуже маленький опір, тому трансформатори струму практично працюють у режимі короткого замикання.

Схема вмикання та умовне позначення вимірювального трансформатора струму Трансформатор струму не можна включати в лінію без приєднаного до нього вимірювального приладу. Для підвищення безпеки обслуговуючого персоналу кожух вимірювального трансформатора повинен бути ретельно заземлений.

Зварювальнi трансформатори

До джерел живлення зварювальних апаратів ставляться специфічні вимоги: при заданій потужності вони повинні створювати великі струми в навантаженні, причому різка зміна опору навантаження не повинна істотно позначатися на значенні зварювального струму. Відносно невисокі напруги при великих токах забезпечують не тільки ефективне тепловиділення в зварювальному контакті, а й безпеку зварника, який працює зазвичай серед металевих конструкцій, що мають високу електропровідність. Відповідно до розглянутих вимог, зварювальні трансформатори забезпечують зниження напруги від 220 або 380 В до 60 - 70 В. Така напруга на затискачах вторинної обмотки встановлюється при холостому ході зварювального трансформатора. У процесі зварювання вона коливається від максимального значення 60-70 В до значень, близьких до нуля. Опір електричної дуги, що виникає під час зварювання, змінюється при переміщеннях руки зварника. Тому зварювальний трансформатор влаштований так, що при різкому зменшенні опору дуги, струм у колі збільшується незначно, а добуток 𝐼 2𝑅, що визначає кількість теплоти, зберігається на необхідному рівні. Відповідно до закону Ома при різкому зменшенні опору і незначному збільшенню струму, напруга на дузі знижується.

Зварювальний трансформатор має круто падаючу зовнішню характеристику

Зовнішня характеристика зварювального трансформатора

Зварювальний трансформатор витримує короткі замикання, що виникають у разі дотику електрода до зварювального шву. Струм короткого замикання, як показує зовнішня характеристика, обмежений. Вторинна обмотка трансформатора розрахована на досить тривалий перебіг цього струму. При постійній напрузі мережі живлення, швидке зниження вихідної напруги трансформатора при незначному зростанні струму може бути досягнуто тільки за рахунок збільшення внутрішнього падіння напруги в обмотках трансформатора. Для цього потрібно збільшити опір обмоток. Зварювальні трансформатори виготовляють з великим регульованим індуктивним опором обмоток. При цьому збільшується не активний опір дротів, а індуктивний опір розсіювання обмоток, так 96 як збільшення активного опору призвело б до зростання втрат енергії і перегріву трансформатора. Для збільшення індуктивного опору розсіювання обмоток збільшують потік розсіювання, вводячи в магнiтопровiд трансформатора магнітопровiдний стрижень, що шунтує, через який замикається частина основного магнітного потоку. Змінюючи значення повітряного зазору в стрижні, що шунтує, можна змінювати магнітний потік розсіювання. .

Контрольні запитання

1. Яке призначення трансформаторiв та їх застосування?

2. Охарактеризувати будову трансформатора.

3. Надати формулу трансформаторної електрорушійної сили.

4. Охарактеризувати принцип дії однофазного трансформатора.

5. Що таке коефіцієнт трансформації?

6. Охарактеризувати трифазні трансформатори.

7. Охарактеризувати автотрансформатори та вимiрювальнi трансформатори.

8. Охарактеризувати зварювальнi трансформатори.