МЕЖРЕГИОНАЛЬНЫЙ ЗАОЧНЫЙЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ
(МЗЭТГОУ СПО ИЭК)
Барнаульскийфилиал
КОНТРОЛЬНАЯРАБОТА № 1
Потеме «Электрические машины и трансформаторы»
ДеркачНиколай Николаевич шифр Д—2170
3курса, специальности 140206-01 .
Вопрос№ 1 Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Значение опытов.Напряжение короткого замыкания
Электрическая схемазамещения позволяет с достаточной точностью исследовать свойстватрансформаторов в любом режиме. Использование этой схемы при определениихарактеристик имеет наибольшее практическое значение для трансформаторовмощностью 50 кВ-А и выше, так как исследование таких трансформаторов методомнепосредственной нагрузки связано с некоторыми техническими трудностями:непроизводительным расходом электроэнергии, необходимостью в громоздких идорогостоящих нагрузочных устройствах.
Определение параметровсхемы замещения Z1 = r1+jx1; Zm = rm+jxm', Z2/=r2/+jx2/ возможно либо расчетным (в процессе расчета трансформатора), либо опытнымпутем. Ниже излагается порядок определения параметров схемы замещениятрансформатора опытным путем, сущность которого состоит в проведении опытахолостого хода (х. х.) и опыта короткого замыкания (к. з.).
Опыт холостого хода. Холостым ходом называют режим работы трансформаторапри разомкнутой вторичной обмотке (zн=бесконечности,I2=0). В этом случае уравнения ЭДС и токов (1.34)принимают вид
/>
Так как полезная мощностьпри работе трансформатора вхолостую равна нулю, мощность на входетрансформатора в режиме х. х. Pq расходуется на магнитные потери вмагнитопроводе Рм (потери на перемагничивание магнитопровода ивихревые токи) и электрические потери в меди I02 r1 (потери на нагрев обмотки припрохождении по ней тока) одной лишь первичной обмотки. Однако ввиду небольшогозначения тока I0, который обычно не превышает 2—10% I1ном,электрическими потерями I02 r1можно пренебречь и считать, что вся мощность х. х. представляет собой мощностьмагнитных потерь в стали магнитопровода. Поэтому магнитные потери втрансформаторе принято называть потерями холостого хода.,
Опыт х. х. однофазноготрансформатора проводят по схеме, изображенной на рис. 1.29, а. Комплектэлектроизмерительных приборов, включенных в схему, дает возможностьнепосредственно измерить напряжение U1, подведенное к первичной обмотке;напряжение U20 на выводах вторичной обмотки; мощность х.х. Р0и токХ.Х. Iо.
/>
Напряжение к первичнойобмотке трансформатора обычно подводят через регулятор напряжения РН,позволяющий плавно повышать напряжение от 0 до 1,15 U1ном-
При этом черезприблизительно одинаковые интервалы тока х.х. снимают показания приборов,- азатем строят характеристики х.х.: зависимость тока х.х. I0," мощности х.х. Pq и коэффициента мощности х.х. соs ф0 от первичного напряжения U1 (рис. 1.30).
Криволинейность этиххарактеристик обусловлена состоянием магнитного насыщения магнито-провода,которое наступает при некотором значении напряжения U1.
/>
В случае трехфазноготрансформатора опыт х.х. проводят по схеме, показанной на рис. 1.29, б. Характеристиких.х. строят по средним фазным значениям тока и напряжения для трех фаз:
/>
где P0 и P0" — показания однофазных ваттметров; U1 и I0 — фазные значения напряжения и тока.
По данным опыта х. х. можноопределить: коэффициент трансформации
/>
ток х.х. при U 1ном (впроцентах от номинального первичного тока)
/> (1.45)
потери х. х. P0.
В трехфазномтрансформаторе токи х.х. в фазах неодинаковы и образуют несимметричную систему
поэтому мощность Р0следует измерять двумя ваттметрами по схеме, изображенной на рис. 1.29, б. Падениенапряжения в первичной ветви схемы замещения в режиме х.х. Io(r1+jx1) (рис. 1.31)составляет весьма незначительную величину, поэтому, не допуская заметнойошибки, можно пользоваться следующими выражениями для расчета параметров ветвинамагничивания:
/>
Обычно в силовыхтрансформаторах общего применения средней и большой мощности при номинальномпервичном напряжении ток х. х. i0=10/0,6%.
Если же фактическиезначения тока х. х. Iном и мощности х.х. Р0 ном, соответствующие номинальному значению первичного напряжения U1 ном, заметно превышают величины этих параметров,указанные в каталоге на данный тип трансформатора, то это свидетельствует онеисправности этого трансформатора: наличии корот-козамкнутых витков в обмоткахлибо замыкании части пластин магнитопровода.
/>
Опыт короткогозамыкания. Короткоезамыкание трансформатора — это такой режим, когда вторичная обмотка замкнутанакоротко (zH=0), при этом вторичное напряжение U2=0. В условиях эксплуатации, когда к трансформаторуподведено номинальное напряжение U1ном, короткое замыкание являетсяаварийным режимом и представляет собой большую опасность для трансформатора.
При опыте к.з. вторичнуюобмотку однофазного трансформатора замыкают накоротко (рис. 1.32, а), а кпервичной обмотке подводят пониженное напряжение, постепенно повышая егорегулятором напряжения РН до некоторого значения Uк ном, при котором токи к. з. в обмотках трансформаторастановятся равными номинальным токам в первичной (I1к =I1ном) и вторичной (I2к =I2ном) обмотках. При этом снимаютпоказания приборов и строят характеристики к. з., представляющие собойзависимость тока к. з. I1K, мощности к. з. Рк икоэффициента мощности cos сркот напряжения к. з. UK (рис. 1.33).
В случае трехфазноготрансформатора опыт проводят по схеме, показанной на рис. 1.32, б, а значениянапряжения к.з. и тока к.з. определяют как средние для трех фаз:
/>
В случае трехфазного трансформатораактивную мощность измеряют методом двух ваттметров. Тогда мощность к. з.
/>
В (1.52) Рк и Рк" —показатели однофазных ваттметров, Вт.
Напряжение, при которомтоки в обмотках трансформатора при опыте равны номинальным значениям, называют номинальнымнапряжением короткого замыкания и обычно выражают его в процентах отноминального напряжения:
/>
Вопрос №2 Средства улучшениякоммутации в машинах постоянного тока
Таблица 13.1. Степень искрения (класс коммутации) электрических машин постоянного тока
/>
Большое практическоезначение * при эксплуатации машин постоянного тока имеют вопросы улучшениякоммутации. Основной причиной неудовлетворительной коммутации являетсявозникновение в коммутирующих секциях добавочного тока коммутации
1. Выбор вдетак, С точкизрения обеспечения удовлетворительной коммутации целесообразно применение щетокс большим падением напряжения в переходном контакте и собственно щетке, т.е.щетки с большим сопротивлением rщ, что привело бы к уменьшению тока iд. Однако допустимая плотность тока в щеточном контактетаких щеток невелика, поэтому их применение в машинах со значительным токомякоря ведет к необходимости увеличения площади щеточного контакта, что требуетувеличения площади коллектора за счет его длины. В связи с этим щетки с большимrш используют преимущественно в машинах с относительно высоким напряжением,а следовательно, с небольшим током якоря.
2. Уменьшение реактивнойЭДС в коммутирующих секциях. Снижению реактивной ЭДС, индуцируемой вкоммутирующих секциях, способствует уменьшение коэффициентов взаимнойиндуктивности М и самоиндукции Lс… Понижение коэффициента М достигаетсяприменением обмоток якоря с укороченным шагом (у1 достигается сокращением числа витков в секциях обмотки.
Из этого следует, что дляулучше ния коммутации необходимо умень шить величину добавочного тока ком мутации.Этого можно достигнуть не сколькими способами.
3. Добавочные полюса.Назначение добавочных полюсов — создание магнитного поля в зоне коммутации смагнитной индукцией Вд.п такого значения и направления, чтобы«подавить» магнитную индукцию от реакции якоря Вр.я, и сверх этого создать взоне коммутации магнитную индукцию Вк. Индукция Вк должнабыть достаточной для индуцирования в коммутирующей секции ЭДС вращения евр,равную по величине и противоположную по направлению реактивной ЭДС ер,так чтобы суммарная ЭДС в коммутирующей секции оказалась равной нулю.
Добавочные полюсарасполагают между главными полюсами по линии геометрической нейтрала, а ихобмотку включают последовательно с обмоткой якоря, чем обеспечиваетсяавтоматическое поддержание на требуемом уровне значения магнитной индукции взоне коммутации при изменениях нагрузки машины. Все машины постоянного токамощностью свыше 1 кВт снабжаются добавочными полюсами, число которых принимаютравным числу главных полюсов или же вдвое меньшим. Добавочные полюсаобеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине только при нагрузках впределах номинальной. При перегрузке машины происходит насыщение магнитной цепиэтих полюсов и коммутация ухудшается.
Однако добавочные полюсыне устраняют полностью нежелательного воздействия реакции якоря нараспределение магнитной индукции в зазоре машины постоянного тока. Поэтому вмощных быстроходных машинах постоянного тока, работающих в режиме интенсивныхнагрузок, применяют компенсационную обмотку. Эту обмотку включаютпоследовательно в цепь якоря и располагают в полюсных наконечниках главныхполюсов машины (рис. 13.9). Компенсационная обмотка создает МДС по поперечнойоси встречно магнитному потоку якоря и компенсирует его.
/>
4. Смещение щеток сгеометрической нейтрали. В машинах мощностью до 1 кВт без добавочныхполюсов улучшение коммутации достигается смещением щеток с геометрическойнейтрали в направлении вращения якоря у генераторов или встречно направлениювращения якоря у двигателей. Этот способ улучшения коммутации применим лишь внереверсируемых электрических машинах, работающих с неизменной нагрузкой.
Искрение на коллектореявляется интенсивным источником электромагнитных колебаний частотой от 1000 до3000 Гц. Эти колебания распространяются по сети и вызывают помехи врадиоприемных устройствах. Для устранения помех применяют подавляющиеэлектрические фильтры из проходных конденсаторов типа КБП емкостью от 0,1 до1,0 мкФ (рис. 13.10). У этих конденсаторов одним из зажимов являетсяметаллическая оболочка, прикрепляемая к заземленному корпусу машины.
Вопрос № 3 Устройство и принципдействия автотрансформатора.
Егодостоинства и недостатки
Основное конструктивноеотличие автотрансформатора от трансформатора состоит в том, что вавтотрансформаторе часть обмотки ВН является обмоткой НН. В связи с этимэнергия из первичнойцепи во вторичную передается не только за счет магнитнойсвязи между этими цепями, но и за счет непосредственной электрической связиэтих цепей. Рассмотрим работу однофазного понижающего автотрансформатора (рис.3.2, а).
/>
Участок обмотки аХ—общийдля первичной и вторичной цепей. Пренебрегая током х. х., запишем уравнениеМДС:
I1 wAX + waX I2=0.
Разделив это уравнение начисло витков обмотки wAX, получимуравнение токов автотрансформатора:
I1+ I2(waX / wAX )=0, или I1= — I2/ kA , (3.5)
где kA = wAX/waX — коэффициент трансформацииавтотрансформатора.-
По общей части витков аХ обмоткиавтотрансформатора проходит ток I12,равный алгебраической сумме токов, т. е.
I12 = I1 + I2. (3.6)
В понижающемавтотрансформаторе вторичный ток больше первичного, т. е. I2>I1. Изэтого следует, что в этом трансформаторе ток I12 в общей части витков аХ равен разности вторичного ипервичного токов:
I12 =I2-I1. (3.7)
Если коэффициенттрансформации автотрансформатора немногим больше единицы, то токи I1 и I2 малоотличаются друг от друга, а их разность составляет небольшую величину. Этопозволяет выполнить часть аХ обмотки автотрансформатора из провода меньшегосечения.
Введем понятие проходноймощности автотрансформатора, пред- ставляющей собой всю передаваемую мощность Sпp=U2I2 из первичной цепи во вторичную.Кроме того, различают еще расчетную мощность Sрасч, представляющую собой мощность, передаваемую изпервичной во вторичную цепь магнитным полем. Расчетной эту мощность называютпотому, что размеры и вес трансформатора зависят от величины этой мощности. Втрансформаторе вся проходная мощность является расчетной, так как междуобмотками трансформатора существует лишь магнитная связь. Но в автотрансформаторемежду первичной и вторичной цепями помимо магнитной связи существует еще иэлектрическая. Поэтому расчетная мощность составляет лишь часть проходноймощности, другая ее часть передается между цепями без участия магнитного поля.В подтверждение этого разложим проходную мощность автотрансформатора Sпр=I2U2 насоставляющие. Воспользуемся для этого выражением (3.7), из которого следует,что I2=I1+I12. Подставив это выражение в формулу проходной мощности, получим
Snp=U2I2=U2(I1+I12)=U2I1+U2I12=Sэ + Sрасч. " (3.8)
Здесь Sэ—U2I1 — мощность, передаваемая из первичной цепи автотрансформатора вовторичную благодаря электрической связи между этими цепями.
Таким образом, расчетнаямощность в автотрансформаторе Sрас= U2I12 составляет лишь часть проходной. Этодает возможность для изготовления автотрансформатора использоватьмагни-топровод меньшего сечения, чем в трансформаторе равной мощности.
Средняя длинавитка_обмотки также становится меньше; следовательно, уменьшается расход медина выполнение" обмотки авто-трансформйтораГ Одновременно уменьшаютсямагнитные и электрические потери, а КПД автотрансформатора повышается^
Таким образом,автотрансформатор по сравнению с трансформатором равной мощности обладаетследующими преимуществами: меньшим расходом активных материалов (медь иэлектротёх«ничё-ская сталь), более высоким КПД, меньшими размерами истоимостью. У автотрансформаторов большой мощности КПД достигает 99,7%.
Указанные преимуществаавтотрансформатора тем значительнее, чем больше мощность SЭ, а следовательно, чем меньше расчетная частьпроходной мощности.
Мощность SЭ, передаваемая из первичной во вторичную цепьблагодаря электрической связи между этими цепями, определяется выражением
Sэ = U2I1 = U2I2/kA = Sпр/kA, (3.9)
т. е. величина мощности Sэ обратно пропорциональна коэффициенту трансформации автотрансформатора kA.
Из графика, изображенногона рис. 3.3, видно, что применение автотрансформатора дает заметныепреимущества по сравнению с двухобмоточным трансформатором лишь при небольшихзначениях коэффициента трансформации. Например, при kA=\ вся мощность автотрансформатора передается вовторичную цепь за счет электрической связи между цепями (Sэ/Sпр=1).
/>
Наиболее целесообразноприменение автотрансформаторов с коэффициентом трансформации kA 2. При большой величине коэффициента трансформациипреобладающее значение имеют недостатки автотрансформатора, состоящие вследующем:
1. Большие токи к.з. в случаяхпонижающего автотрансформатора: при замыкании точек а и X (см. рис. 3.2, а) напряжение U1 подводитсялишь к небольшой части витков Аа, которые обладают очень малым сопротивлениемк.з. В этом случае автотрансформаторы не могут защитить сами себя отразрушающего действия токов к.з., поэтому токи к.з. должны ограничиватьсясопротивлением других элементов электрической установки, включаемых в цепьавтотрансформатора.
2. Электрическая связь стороны ВН состороной НН; это требует усиленной электрической изоляции всей обмотки.
3. При использовании автотрансформаторовв схемах понижения напряжения между проводами сети НН и землей возникаетнапряжение, приблизительно равное напряжению между проводом и землей на сторонеВН.
4. В целях обеспеченияэлектробезопасности обслуживающего персонала нельзя применятьавтотрансформаторы для питания цепей НН от сети ВН.
Задача № 1
Выберите тип обмотки ирассчитайте её шаги. Обоснуйте свой выбор. Начертите развёрнутую схему и схему параллельныхветвей обмотки якоря машины постоянного топка.
Исходные данные:
Число пар полюсов Р = 1
Число элементарных пазов Zэ = 15
Число секций S = 15
Число коллекторныхпластин. К = 15
Ток в якоре Ia = 600А
Ток параллельной ветви долженограничивается значением. ia = ( 300 – 350) А
Ia = 2a ia
2a – число параллельных ветвей обмотки якоря
ia – ток одной параллельной ветви
2а = 2Р ia = Ia/2a = 600/2*1 = 300A
Выбираем простую петлевую обмотку.
Задача № 2
Генератор постоянноготока с параллельным возбуждением работает в номинальном режиме с мощностью Рном при напряжении Uном и токе Iном. Токв обмотке возбуждения — Iв, в обмотке якоря — Iа. Сопротивление обмотки возбуждения при tхол = 20 °С — RВ 20°С, а обмотки якоря – Ra 20°С. ЭДС генератора- Е. КПД генератора — rном, а суммарные потери мощности вгенераторе ∑ р.
По заданным в таблице 2значениям величин определить все остальные, отмеченные в таблице прочерками.Начертите схему такого генератора и поясните назначение каждого элемента схемы.
/>
ЗАДАЧА 3
Трехфазный трансформаторимеет номинальную мощность SHQM. номинальные(линейные) напряжения обмоток U1ном и U2ном — номинальные токи I 1ном и I 2ном и коэффициент трансформации k. В сердечнике трансформатора сечением Q создается магнитная индукция Втах при частоте тока/>/> = 50 Гц. Обе обмотки соединены в-звезду. Числа виткоз первичнойи вторичной обмоток – w1 и w2. ЭДСв обмотках (фазные величины) составляют Е1ф и Е2ф. По заданным в таблице 3значениям величин определить все остальные, отмеченные в таблице прочерками.