Устройство и принцип действия трансформатора
Трансформатор — статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразованияпеременного тока одного напряжения и переменный ток той же частоты, но другого напряжения.Потребность трансформирования — повышения и понижения переменного напряжения — вызвананеобходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Чем выше напряжение,чем при равной мощности источника энергии меньше ток. Следовательно, для передачиэнергии требуются провода меньшего сечения, что приводит к значительной экономиицветных металлов, из которых изготовляются провода линий электропередачи. Потериэлектрической энергии в проводах также уменьшаются с уменьшением тока. При передачеэлектрической энергии от электростанций к потребителям происходит многократное повышениеи понижение напряжения.
По назначению трансформаторы можно разделить наследующие типы:
силовые одно — и трехфазные трансформаторы номинальноймощностью от нескольких единиц до 1 млн кВ-А и напряжением до 1250 кВ используютсяв сетях для распределения электроэнергии. К силовым относятся и трансформаторы малоймощности от 10 до 300 В-А, применяемые в устройствах радиотехники, промышленнойэлектроники и автоматики. По способу охлаждения силовые трансформаторы подразделяютсяна масляные и воздушные;
автотрансформаторы — используются для изменения(регулирования) напряжения, имеют, как правило, плавную регулировку выходного напряжения;
измерительные трансформаторы — применяются в качествеэлементов измерительных устройств;
трансформаторы специального назначения — применяютсяв конкретных электротехнических устройствах для различных целей. Примерами могутслужить сварочные трансформаторы для различных видов сварки, импульсные трансформаторыдля преобразования высокочастотных импульсных периодически повторяющихся сигналовв радиолокационной технике и телевидении.
Конструктивное исполнение и электромагнитные процессы,происходящие в трансформаторах различных типов, имеют много общего. Поэтому дляизучения их работы рассмотрим однофазный двухобмоточный трансформатор.
Трансформаторсостоит из обмоток и магнитопровода — стального сердечника, набранного из листовэлектрической стали толщиной 0,35...0,5 мм для уменьшения потерь от вихревых токов.Листы сердечника покрываются лаком для изоляции друг от друга. Части магнитопровода,на которых располагаются обмотки, называются стержнями. Части магнитопровода, замыкающиестержни, называются ярмом. Трансформатор имеет не менее двух обмоток, связанныхмежду собой общим магнитным потоком. Обмотки электрически изолированы друг от друга;исключением в этом отношении являются автотрансформаторы, у которых обмотка низшегонапряжения является частью обмотки высшего напряжения.
Однофазныетрансформаторы по форме магнитопровода подразделяются на стержневые и броневые(рис.1). У маломощных трансформаторов сечение стержней выполняется прямоугольным,у мощных — близким к круглому.
/>
Рис.1. Расположение обмоток однофазных трансформаторов со стрежневым(а) и броневым (б) магнитопроводами.
Обмотка трансформатора, соединенная с источником электроэнергии,называется первичной (рис.2). Соответственно первичными именуются все величины,относящиеся к этой обмотке: число витков w1напряжение u1, сила тока i1и т.д. Обмотка, соединенная с нагрузкой, называется вторичной,относящиеся к ней величины также называются вторичными (w2, и2, i2). У некоторых трансформаторовможет быть несколько вторичных обмоток, питающих разные цепи.
/>
Рис.2. Электромагнитная схема (а) и условные обозначения (б)однофазного двухобмоточного трансформатора.
Под действием подведенного переменного напряжения в первичнойобмотке возникает токi1, и возбуждаетсяизменяющийся магнитный поток. Этот магнитный поток индуцирует в первичной обмоткетрансформатора ЭДС самоиндукции е1, а во вторичной обмотке — ЭДСвзаимоиндукции е2. ЭДС е2 создаст напряжениеu2на выходных зажимах трансформатора. При замыкании вторичнойцепи на нагрузку возникает ток i2, который образуетсобственный магнитный поток, накладывающийся на поток первичной обмотки. В результатесоздастся общий поток Ф. Стрелки направления напряжения u1 и тока е1, представляют первичную обмоткукак приемник энергии. Положительное направление потока Ф связано с током i1, правилом правоходового винта. Стрелки направления е2и i2 соответствуют представлениювторичной обмотки источником энергии. Силовые линии магнитного поля замыкаются какпо сердечнику, так и по воздуху вокруг витков обмоток, создавая магнитные потокирассеяния Фр! и Фр2, которые, в свою очередь, наводят в первичнойи вторичной обмотках ЭДС рассеяния ер1 и ер2… Для идеализированноготрансформатора, у которого потоки рассеяния и активные сопротивления обмоток пренебрежимомалы, и1 — е1; и2 = е2, откуда
U1m = E1m; U2m — Е2т.
В случае, если
/>и1 = U1m sin ωt, то Ф (t) = Фm sin ωt – π ,где Фm =
2
/>U1m
w1ω
Таким образом,при синусоидальном входном напряжении магнитный поток и1 в сердечникеФ (t) также синусоидален и отстает от напряжения на уголπ/2. ПотокФ (t) индуцирует в обмотках синусоидальные ЭДС, мгновенные значениякоторых
е1=E1msin (ωt — π), ег= Е2тsin (ωt — π), где Е1т = w1ωФm; Е2т= w2ωФm.
Из этих выражений видно, что е1и е2отстают от Ф на угол π/2, а от и1 — на уголπ. Действующие значения синусоидальных ЭДС обмоток
/>
Коэффициенттрансформации
/>
2. Механическая характеристика асинхронного двигателя
Асинхронные машины являются машинами переменного тока. В основномони применяются в качестве двигателей. Асинхронные двигатели составляют 80 % всегопарка электродвигателей. Такое широкое распространение они получили из-за простотыконструкции и хороших эксплуатационных характеристик. Эти двигатели надежны в работеи требуют минимального технического обслуживания. Различают несколько вариантовасинхронных двигателей: трехфазные, двухфазные, однофазные и линейные. Выпускаютасинхронные двигатели в широком диапазоне мощностей — от нескольких ватт до несколькихмегаватт.
Механической характеристикой двигателя называетсязависимость частоты вращения вала от механического момента на валу n=f (M2). Зависимость п=f (М2) показана на рис.1. Механическая характеристика является достаточножесткой в рабочей области, где момент изменяется от 0 до Mном. Для значений момента, превышающих Mном, механическая характеристика является более крутой, а при значенияхMmax>Мдвигатель останавливается,, по обмотке статорапротекают большие токи, которые вызывают перегрев двигателя. Если двигатель не отключаетсяот сети, это приводит к выходу из строя обмотки статора. В серийных асинхронныхдвигателях при номинальной нагрузке скольжение изменяется в диапазоне 0,02...0,06.Обычно меньшая граница соответствует более мощным асинхронным двигателям.
При увеличениисопротивления ротора (в двигателе с фазным ротором сопротивление ротора можно регулировать,подключая к нему реостат) зависимость становится более крутой (менее жесткой)(рис.2). Из характеристик видно, что при увеличении сопротивления ротора R2, частота вращения роторауменьшается (n”2М’2пуск >М2пуск).
/>
Рис.1.Механическая характеристика асинхронного двигателя
/>
Рис.2.Влияние сопротивления ротора на механическую характеристику
Список литературы
1. Бутырин П.А. Электротехника: учебник. — М.: Издательский центр«Академия», 2007. — 272 с.