Книги, научные публикации Pages:     | 1 | 2 | -- [ Страница 1 ] --

МНСТЕРСТВО ОСВТИ НАУКИ УКРАпНИ Укранський державний морський технчний унверситет мен адмрала Макарова KlH Ш ЕЛЕКТРОТЕХНКА Електричн машини Рекомендовано Мнстерством освти науки Украни

як навчальний посбник Миколав УДМТУ 2003 УДК 621.3 ББК 31.26 К 41 Рекомендовано Мнстерством освти науки Украни як навчальний посбник, лист № 14/182Ц2404 вд 16.12.2002 р.

Рецензенти:

Ю.П. Кондратенко, доктор технчних наук, професор;

В.А. Скороходов, кандидат технчних наук, професор Кнаш А.Т.

К 41 Електротехнка. Електричн машини: Навчальний посб ник. - Миколав: УДМТУ, 2003. - 152 с.

ISBN 5Ц87848Ц080Ц8 Посбник мстить основн вдомост з теор електричних машин.

Розглянуто питання щодо х практичного використання. Наведен числов приклади та тестов завдання для самостйного розв'язання.

Призначено для ндивдуально роботи студентв неелектротех нчних спецальностей денного заочного вддлень та дистанцй ного навчання студентв вищих навчальних закладв.

УДК 621. ББК 31. й Кнаш А.Т., ISBN 5Ц87848Ц080Ц й Видавництво УДМТУ, B Електротехнка наукою про технчне використання електрики магнетизму в господарств. Без досить глибокого знання електро технки неможливо уявити соб нженерв сучасного високорозвине ного виробництва.

нтенсивне використання електрично енерг пов'язано з наступ ними особливостями: можливстю досить легкого перетворення в нш види енерг (механчну, теплову, променисту т. д.);

можлив стю централзованого й економчного отримання на рзних елект ростанцях;

простотою передач за допомогою нй електропереда ч з малими втратами на велик вдстан до споживачв.

Електротехнчне устаткування сучасних суден явля собою комп лекс рзномантних електричних машин, апаратв приладв. Осна щенсть морських суден електричними машинами, апаратами та приладами продовжу збльшуватися, енергооснащенсть суден зро ста з кожним роком. Майже вс механзми таких суден обладнан електричним приводом, бльшсть з них з автоматизованим керуван ням. Роль обслуговуючого персоналу на таких суднах зводиться до спостереження за електроустаткуванням усунення несправностей.

Електрична енергя волод цлим рядом переваг у порвнянн з ншими видами енерг. Вона у великих клькостях може передавати ся на значн вдстан, легко перетворються в нш види енерг, добре розподляться мж приймачами енерг, забезпечуючи будь-яку по тужнсть приймача (вд часток вата до десяткв тисяч кловат), дозво ля здйснити комплексну автоматизацю пдпримств суден.

Електричн магнтн явища вдом людству давно (клька сто ть), але практичне застосування електрично енерг почалося лише в другй половин ХХ столття. При цьому першими приймачами електроенерг були джерела електричного свтла та установки зв'яз ку (телеграф телефон).

Великий внесок у розвиток науки про електричн явища зроби ли вчен - академки М.В. Ломоносов, Г.В. Рихман В.В. Петров, що провели ряд важливих дослджень з електрики.

Псля вдкриття англйцем М. Фарадем явища електромагнт но ндукц (1831 р.) росйськ академки Е.X. Ленц Б.С. Якоб роз робили принцип перетворення електрично енерг в механчну. У 1834 р. Якоб винайшов перший у свт електричний двигун постй ного струму, а в 1838 р. установив його на катер для приводу греб ного гвинта. Це був перший у свт електрохд. Велику допомогу Е.X. Ленцу Б.С. Якоб надав професор А.С. Столтов, який обру нтував розрахунки магнтних кл електричних машин. Ленц вдкрив принцип оборотност електричних машин, що сприяло нтенсивно му виробництву електричних генераторв двигунв. Перш елек тромашини виготовлялися на постйному струм були дуже громзд кими й дорогими, що гальмувало хн поширення.

У 1873Ц1874 рр. нженером А.Н. Лодигним була винайдена лам па накалювання - прообраз сучасних ламп цього типу, а в 1876 р.

нженером П.Н. Яблочковим сконструйована дугова лампа. Це були перш у свт джерела електричного свтла.

На морських суднах електрична енергя вперше стала застосо вуватися для освтлення палуб примщень за допомогою прожек торв з дуговими лампами (1880 р.). Електроенергя для цих устано вок вироблялася в невеликих низьковольтних генераторах постй ного струму, як були встановлен на суднах приводилися в рух паровими машинами.

У 1891 р. на Всесвтнй електротехнчнй виставц нженер М.О. Доливо-Добровольський продемонстрував вдкриту ним си стему трифазного струму та елементи ц системи: синхронн гене ратори, асинхронн електродвигуни трансформатори. У даний час трифазна система електричного струму займа домнуюче положен ня в одержанн, передач розподл електроенерг, як найбльш еко номчна, а асинхронн електродвигуни, дуже прост за конструкцю дешев, широко застосовуються у всх галузях народного господар ства, у тому числ на суднах. Електродвигуни постйного змнного струму поступово замнили на суднах паров машини для приводу допомжних механзмв.

Перш спроби створення електрогребно установки на пдвод ному човн вдносяться до 1861 р. Електроходи будуються з 1904 р.

(наливне рчкове судно "Вандал"). У 80-х роках ХХ сторччя почи на здйснюватися електричний привд суднових механзмв. Пер шими були електрифкован вентилятори, потм кермов пристро палубн механзми.

Для живлення електроенергю на суднах установлюють елек тростанц, потужнсть яких уже в 90-х роках досягала сотень кло ват. До 1940 р. електростанц на морських суднах будували голов ним чином на постйному струм. Останнм часом у зв'язку з зро станням потужностей суднових електроенергетичних установок та створенням надйного електроустаткування на змнному струм суд нов електростанц в основному будують на змнному струм.

Наприкнц ХХ столття в зв'язку з вдкриттям трансформато ра П.М. Яблочковим та .Ф. Усагним одержала велике поширення передача електроенерг на вдстань. Теоретичн основи передач елек троенерг розроблен проф. Д.А. Лачновим.

Псля одержання електромагнтних коливань фзиком Г.Р. Гер цом учений А.С. Попов у 1895 р. став творцем бездротового теле графу, а в 1896 р. передав в ефр першу у свт радограму. Через два роки вн установив регулярний радозв'язок мж крейсером "Афри ка" транспортним судном "квропа".

У даний час створюються рзномантн пристро з електронни ми, напвпровдниковими й електромагнтними елементами, авто матичн промислов роботи манпулятори. З хньою допомогою удосконалюються технологчн процеси, системи керування, конт ролю й нформац.

Без використання електротехнки неможлив були б успхи в ме дицин, болог, еколог й в нших галузях науки.

Hl Hl K 1.1. Магнтн кола з постйною магнторушйною силою Робота багатьох електротехнчних пристров основана на вико ристанн ндукцйно та силово дй магнтного поля.

ндукцйна дя магнтного поля поляга в тому, що в котушц, яка пронизуться змнним магнтним потоком, та в провднику, що рухаться вдносно магнтного поля, ндукуться ЕРС. На викорис танн ндукованих ЕРС засновано принцип д генераторв, транс форматорв, багатьох приладв контролю та управлння. Силова дя магнтного поля поляга в тому, що на електричн заряди, провдни ки з струмом детал з феромагнтних матералв, як знаходяться в магнтному пол, дють електромагнтн сили.

Використання силово д магнтного поля лежить в основ прин ципу д електродвигунв, електромагнтв, багатьох електровимрю вальних приладв.

Електротехнчн пристро, принцип д яких засновано на вико ристанн ндукцйно або силово д магнтного поля, називаються електромагнтними.

Магнтне коло - це сукупнсть пристров з феромагнтними еле ментами, електромагнтн процеси в яких можуть бути пояснен за допомогою понять магнторушйно сили, магнтного потоку та ма гнтно напруги.

Магнтне коло складаться з елементв, як збуджують (створю ють) магнтне поле магнтопровд. До елементв, як збуджують магнтне поле, належать провдники з струмом постйн магнти, а до магнтопроводв - рзн тла та середовища, по яких замикаються магнтн н збудженого поля.

Магнтне поле, збуджене постйним струмом, графчно показу ться магнтними силовими нями в кожнй точц характеризуться вектором магнтно ндук ц B, направленим по дотичнй до н поля (рис. 1.1).

Напрямок поля B визначаться правилом гвинта, поступальний рух якого збгаться з на прямком струму I, а обертальний - з напрямком Рис. 1. магнтно ндукц.

Вектор магнтно ндукц B характеризу нтенсивнсть на прямок руху магнтного поля.

Разом з вектором магнтно ндукц використовують магнт ний потк Ф. Магнтний потк - це нтегральна оцнка магнтного поля, тому вн може мати як позитивн, так негативн значення.

При однордному магнтному пол, коли для всх точок просто ру вектор магнтно ндукц В зберга незмнн значення його напрямок перпендикулярний до площини S, Ф = BS.

Одиницею вимрювання магнтно ндукц тесла (Tл) або ве бер на квадратний метр (Вб/м2), а одиницею вимрювання магнт ного потоку - вебер (Вб).

При розрахунку магнтних кл уводиться допомжна величина - вектор напруженост магнтного поля Н, що збгаться за напрям ком з вектором В:

B = H, де - абсолютна магнтна проникнсть середовища, в якому збу джене магнтне поле. Одиницею вимрювання Гн/м.

Абсолютна магнтна проникнсть вакууму ма постйне значен ня: 0 = 410-7 Гн/м.

Одиниця вимрювання напруженост Н - ампер на метр (А/м).

Феромагнтн речовини (залзо, нкель) мають абсолютну магнт ну проникнсть, що в багато разв перевищу 0. Парамагнтними платина та алюмнй, дамагнтними - всмут мдь.

Магнтн властивост речовин характеризуються вдносною ма гнтною проникнстю в =.

Властивост феромагнтних речовин показують графками залежност магнтно ндукц B вд на пруженост магнтного поля H (рис. 1.2).

- графки одержують експериментально.

Рис. 1. 1.1.1. Аналз магнтних кл з постйною магнторушйною силою При аналз магнтних кл сну дв задач.

wI Пряма магнтна задача - знайти магнторушйну силу (МРС) обмотки, необхдну для створення в даному магнтному кол певно го магнтного потоку Ф, якщо задан розмри, конфгураця та ма терал магнтопроводу розмри та конфгураця повтряного про мжку.

Зворотна магнтна задача - знайти магнтний потк Ф у даному wI магнтному кол, якщо задан значення МРС обмотки, розмри, конфгураця матерал магнтопроводу та розмри конфгураця повтряного промжку.

Магнтн кола можуть бути розгалужени ми та нерозгалуженими, з одню або клько ма МРС.

Зображене на рис. 1.3 магнтне коло ма дв однордн феромагнтн длянки довжиною l1 l2, а також два повтрян промжки довжи ною lп кожний.

Обмотка збудження виконана у вигляд Рис. 1. двох котушок з загальною клькстю виткв w. Увмкнення ц котушки до джерела електрично енерг збуджу F = wI в провдниках струм I, внаслдок чого створються МРС.

Ця МРС збуджу основний магнтний потк Ф невеликий потк розсювання Фроз, який замикаться в повтряному середовищ.

Пряма задача Для розрахунку МРС F, що збуджу основний магнтний потк, визначають з рис. 1.3 довжини l1, l2, l середньо магнтно н на однордних длянках магнтопроводу. Нехтуючи потоком розсюван ня Фроз, знаходять величини магнтно ндукц на кожнй длянц магнтопроводу:

Ф Bi =, Si де - площа поперечного перерзу длянки магнтопроводу.

Si Використовуючи знайден величини Bi, визначають вдповд н м значення напруженост магнтного поля на длянках маг Hi нтопроводу за допомогою основно криво намагнчування (рис. 1.4).

Для повтряного промжку, де абсолютна магнтна проникнсть, напруженсть = магнтного поля визначаться за формулою B B Hп = = = 0,8106 А/м.

Рис. 1. 0 1,25610- Основн крив намагнчування отримують експериментально.

Застосовують закон повного струму вздовж середньо н маг нтопроводу H l = wI.

i Ураховуючи, що в межах кожно однордно длянки величина напруженост магнтного поля постйна, мамо H1l1 + H2l2 + 2Hпlп = wI.

F = wI Щоб урахувати потк розсювання, треба значення МРС збльшити на 10...20 %.

Величина - магнтна напруга однордно длянки.

Hili Розгалужене магнтне коло У розгалуженому магнтному кол (рис. 1.5) величини магнт них потокв знаходять з принципу неперервност магнтного пото ку, згдно з яким алгебрачна сума магнтних потокв окремих для нок кола, що сходяться в одному вузл, дорвню нулю:

Ф = 0, i а також з закону повного струму. Алгебрач на сума добуткв напруженостей магнтного поля на вдповдн м довжини однордних длянок контуру магнтного кола дорвню алгебрачнй сум МРС цього ж контуру:

H li = w Ii.

i i Рис. 1. Стосовно вузла S рвняння неперервност магнтного потоку ма вигляд Ф1 - Ф2 - Ф3 = 0.

Рвняння за законом повного струму для контурв та :

H1l1 + H2l2 = wI;

H3l3 - H2l2 = 0.

Аналогова схема замщення магнтного кола з постйною МРС Розглянемо магнтне коло (рис. 1.6). Позначимо середн значен ня магнтно ндукц B1, B2, Bп напружено ст магнтного поля Н1, Н2 та Нп на длянках 1, 2 3.

Магнтними полями розсювання нехту мо, значення магнтного потоку в будь-якому перерз магнтного кола беремо однаковим:

Рис. 1. B1S1 = B2S2 = BпSп = Ф.

Рвняння за законом повного струму ма вигляд H1l1 + H2l2 + Hпlп = wI.

Подлимо кожну складову цього рвняння на магнтний потк:

H1l1 H2l2 Hпlп wI + + =. (1.1) B1S1 B2S2 BпSп Ф Уведемо позначення:

магнтний опр першо длянки H1l1 l (1.2) = = Rм1;

B1S1 1S магнтний опр друго длянки H2l2 l = = Rм2 ;

(1.3) B2S2 2S магнтний опр повтряного промжку Hпlп lп. (1.4) = = Rм.п BпSп пSп Пдставимо значення (1.2)Ц(1.4) в рвняння (1.1):

wI Rм1 + Rм2 + Rм.п = ;

Ф Rм1Ф + Rм2Ф + Rм.пФ = wI;

(1.5) (Rм1 + Rм + Rм.п )Ф = wI;

U +U +Uм.п = wI, (1.6) м1 м де Rм1Ф = Uм1, Rм2Ф = Uм2, Rм.пФ = Uм.п.

Закон Ома для магнтного кола ма вигляд wI Ф =.

Rм1 + Rм2 + Rм.п Залежнсть магнтного потоку вд магнторушйно сили магнт них опорв длянок магнтного кола (1.6) називають основним зако ном магнтного кола. Неважко помтити певну формальну анало гю в запису рвняння (1.5) рвнянь, складених за другим законом Крхгофа для схеми кола (рис. 1.7). Дйсно, для цього електричного кола можна запи сати U1 +U2 +U3 = E або R1I + R2 I + R3I = E.

Струм в електричному кол E I =.

R1 + R2 + R Рис. 1. Покажемо аналогю мж магнтними та електричними величи нами:

Магнтна величина Електрична величина Ф, Вб I, А wI, А E, В Rм, 1/(Омс) R, Ом Uм, А U, В Користуючись цю аналогю, можна зобразити аналогову схему замщення маг нтного кола (рис. 1.8).

Елементи Rм1 i Rм2 мають нелнйн вебер-амперн характеристики, а Rм.п - л нйну вебер-амперну характеристику.

Приклад 1.1. Знайти значення струму I в намагнчувальнй обмотц кола (рис. 1.9).

Дано: Ф = 610Ц4 Вб, S = 6 см2, довжина се редньо н стал lc = 75 см, довжина пов тряного промжку lп = 0,5 мм, w = 200.

Рис. 1. Крива намагнчування задана значен нями:

В, Тл - 0 0,5 0,7 1,0 1, Н, А/м - 0 120 200 450 Розсюванням магнтного поля знехту вати.

Розв'язання. Магнтна ндукця в магн Рис. 1. топровод та зазор Ф 610- B = = =1 Тл.

S 6 10- Напруженсть магнтного поля в магнтопровод згдно з кри вою намагнчування Н = 450 А/м;

напруженсть магнтного поля в зазор B B H = = = 8105 B.

0 410- Струм в обмотц Hсlс + Hпlп 4507510-2 + 8105 10,510- I = = = 3,69 А.

w Приклад 1.2. Кльцева котушка середнм даметром D = 0,15 м ма в поперечному перерз коло даметром d = 0,05 м. В обмотц з числом виткв w = 450 проходить постйний струм.

I =1 А Яке значення ЕРС ндукуться в обмотц, якщо струм припиня ться за час t = 1 мкс ?

Розв'язання. Довжина середньо магнтно н l = D = 0,15 м.

Напруженсть магнтного поля Iw H = = = 3000 А/м.

l 0, Магнтна ндукця B = 0H = 410-7 3000 =1210-4 Тл.

Площа поперечного перерзу 2 d l S = = = 0,785 мм2 = 785 10-9 м2.

4 Магнтний потк котушки Ф = BS =1210-4 785 10-9 = 0,29610-8 Вб.

Потокозчеплення = Фw = 0,29610-8 450 = 0,13310-5 Вб.

ндукована ЕРС 0,13310- l = = - = -1,33 В.

t 10- При наявност феромагнтного осердя ЕРС була б бльша в разв ( - магнтна проникнсть стал).

1.2. Магнтн кола з змнною магнторушйною силою Магнтними колами з змнною МРС називаються так кола, магнтне поле яких збуджуться котушками, увмкненими до джере ла змнного струму. Змнний струм котушки створю в магнтопро вод магнтне поле, змна якого супроводжуться циклчним пере магнчуванням магнтопроводу.

1.2.1. Електромагнтн процеси в дросел при змнних магнтних потоках Умовно-позитивн напрямки напруги u, струму i та магнтного потоку Ф показан на рис. 1.10. Нехай магнтопровд виготов лено з феромагнтного матералу вс маг нтн силов н замикаються по магнтопро воду.

Змнний магнтний потк Ф наводить у Рис. 1. dФ e = витках обмотки ЕРС самондукц -w, dt яка збгаться з струмом. Обмотка ма опр Rоб.

Для показаного на рис. 1.11 контуру за пишемо рвняння електричного стану Рис. 1. Rобi - u = e або u = -e + Rобi.

Якщо знехтувати активним опором Rоб та вважати, що напру га змнються за законом u = U sint, то можна записати m dФ и = -e, U sint = w.

m dt Знаходимо магнтний потк:

U U dФ m m = sint, Ф = - cost;

dt w w якщо амплтудне значення магнтного потоку Um Фm =, (1.7) w то магнтний потк Ф = Ф sin(t - /2).

m З формули (1.7) можна визначити напругу, яка пдведена до ко тушки:

U 2U m Ф = =, U = wФ = 4,44 fwФm.

m m w w Висновок. Якщо до обмотки деалзовано ндуктивно котушки з феромагнтопроводом пдвести синусодну напругу u = U sint, m то в магнтному кол створються магнтний потк Ф, що змнють ся за синусодним законом, але вдста вд напруги на кут /2.

При прийнятих обмеженнях (Rоб = 0, Ф = 0) амплтуда магнт ного потоку не залежить вд виду характеристик Bt (Ht ) магнто проводу величини намагнчувального струму.

Властивост феромагнтних матералв у змнному магнтному пол При збудженн змнного магнтного потоку в магнтопровод електротехнчних пристров вдбуваться безперервне циклчне пе ремагнчування феромагнтного матералу.

Енергя джерела витрачаться на покриття втрат вд магнтного гстерезису та втрат, пов'язаних з нагрвом магнтопроводу вихро вими струмами. Для зменшення цих утрат магнтопровд виготов ляють шихтованим з спецально електротехнчно стал.

Намагнчувальний струм в деалзованй котушц з магнтопро водом Якщо магнтний потк напруга змнюються за синусодним за коном, то магнтна ндукця B буде мати синусодний характер, а вдповдн змни напруженост, що визначаються за динамчною пет льою, будуть несинусодними.

Форма намагнчувального струму згдно з законом повного струму для миттвих значень повторю форму :

Ht Htlcp i =.

w Форма намагнчувального струму в котушц визначаться в пер шу чергу розмрами формою динамчно петл. Величина струму залежить вд амплтуди частоти напруги, товщини листа пакета магнтопроводу та властивостей матералу.

У розрахунках реальн несинусодн крив замнюють екввалент ними синусодами.

Якщо реальний несинусодний струм замнити екввалентним синусодним стру мом, то електричний стан кола можна показати у вигляд векторно даграми (рис. 1.12).

Будувати векторну даграму починають з вектора магнтного потоку Ф. Змнний си нусодний струм ндуку ЕРС E у витках Рис. 1. котушки. Вектор E вдста за фазою вд век тора Ф на кут 90. Струм випереджа магнтний потк на кут . ЕРС E зрвноважу прикладену = 5... до котушки напругу U.

Екввалентний струм 2 I = Ia + I, (1.8) p де Ia - активна складова струму, пов'язана з утратами в магнто провод;

Ip - реактивна складова, необхдна для збудження основ ного магнтного потоку.

Активна складова струму пов'язана з утра тами потужност в магнтопровод P =UIa, а реактивна намагнчувальна потужнсть необхдна для збудження основного Q =UIp магнтного потоку.

Згдно з векторною даграмою котушка з феромагнтопроводом може бути замнена схемою замщення (рис. 1.13).

Рис. 1. Висновок. Утрати вд перемагнчування та вихрових струмв можна моделювати вектором струму I, його активною та реактив ною складовими. В екввалентнй паралельнй схем опр Rпар = =U / Ia = P / Ia обумовлений необхдними втратами потужност в ма гнтопровод вд гстерезису та вихрових стру мв залежить вд частоти живильно напруги та товщини листа пакета магнтопроводу. н дуктивний елемент Xпар = U / I = Q / I визна p p чаться реактивною потужнстю, що збуджу ос новний магнтний потк, залежить вд форми та нахилу динамчно петл.

Якщо видлити активну та реактивну скла дов напруги, то отримамо послдовну схему за мщення з параметрами Rпос та Хпос (рис. 1.14).

Приклад 1.3. Визначити параметри схеми Рис. 1. замщення котушки з сталевим осер дям (рис. 1.15), якщо при вмиканн до об джерела постйного струму Uпост = 2 В у нй встановлються постйний струм Iпост = 4 А, а при включенн до джере ла синусодно напруги U =120 В час тотою f = 50 Гц дюче значення стру му I = 10 А, а потужнсть утрат P = Рис. 1. = 150 Вт.

Потоками розсювання знехтувати.

Розв'язання. Сталевий магнтопровд у котушц при постйному струм не перемагнчуться, тому що в ньому нема вихрових стру мв в котушц не ндукуються ЕРС. Опр обмотки визначаться за законом Ома:

Uпост Rоб = = = 0,5 Ом.

Iпост При змнному струм частотою f = 50 Гц це значення буде дорв нювати активному опору обмотки котушки.

Електричн втрати потужност Pе = RобI = 0,5102 = 50 Вт.

Потужнсть утрат у сталевому осерд котушки при змнному струм Pс = P - Pе = 150 - 50 =100 Вт.

Коефцнт потужност P cos = = = 0,125.

UI На векторнй даграм (рис. 1.16) в три кутнику напруг з сторонами U, RобI ЦE кут знаходиться навпроти сторони ЦE (ЕРС, яка ндукуться в обмотц при зм н магнтного потоку).

Рис. 1. Отже, -E =UL = U + (RобI )2 -2RобI cos = E =119,5 В.

= 1202 + (0,510)2 - 2 12050,125;

Активна реактивна складов струму котушки:

P Iа = = = 0,833 А;

Iр = I2 - Iа = 102 -0,8332 = 9,95 А, E 119, де р знаходиться з виразу (1.8).

Опори активно та ндуктивно глок схеми замщення:

P 100 E 119, Rпар = = =144 Ом;

Xпар = = =12 Ом.

Iр 9, Iа 0, ндуктивнсть Xпар Lпар = = = 0,0382 Гн.

1.2.2. ндуктивна котушка з повтряним зазором у магнтопровод Як було з'ясовано ранше, повний опр котушки з феромагнт ним осердям залежить вд дючого значення напруги або струму.

Для деяких електротехнчних пристров необхдна котушка з незмн ною або довльно регульованою ндуктивнстю;

так котушки засто совуються, наприклад, у фльтрах випрямля чв зварювальних агрегатах. У цих випад ках в осерд котушки роблять зазор, величи на якого задаться немагнтною прокладкою (рис. 1.17). У ряд пристров (електричн ма шини, ндукцйн датчики, звукозаписн голов ки та н.) необхднсть повтряного зазору ви Рис. 1. значаться принципом хньо д.

Вплив повтряного зазору розглянемо на приклад деалзовано котушки, для яко Xр = 0, Rоб = 0, втрати на гстерезис вихров струми в осерд дорвнюють також нулю. У такй котушц активна складова струму дорвню нулю, котушка ма тльки реактивний опр. Для котушки, магнтопровд яко ма повтряний зазор шири ною lп, за законом повного струму можна записати рвняння Hп 2lп + Hсlс = wi, (1.9) де H 2lп = uм.п - магнтна напруга в повтряному зазор;

Hсlс = uм.с - п магнтна напруга у феромагнтному осерд.

Напруженсть поля в обох елементах магнтного кола залежить вд ндукц B = Ф/S у магнтопровод, що згдно з формулою Ф = U /(4,44 fw) визначаться напругою на котушц.

Рвняння (1.9) дозволя побудувати криву намагнчування осер дя з зазором Ф(i) визначити форму струму в котушц.

Для побудови тако криво потрб но скласти магнтн напруги им при клькох значеннях ндукц (потоку), як показано на рис. 1.18.

Вдповдно до отримано криво (вебер-амперно характеристики) за Рис. 1. лежнсть мж струмом в обмотц потоком (ндукцю) в осерд вияв ляться бльш нйною. Тому крива струму в котушц ближча за формою до криво синусодального потоку. Чим бльший повтря ний зазор у магнтопровод, тим бльша напруга H 2lп = uм.п на п нйному елемент магнтного кола тим ближчою до прямо залеж нсть Ф(i ).

Як ранше, реальн несинусодальн крив Hп(t) Hс(t) можна замнити екввалентними синусодами та перейти до рвняння для х дючих значень:

Uм.п + Uм.с = wi, (1.10) Bm де Uм.п = 2lп Uм.с = Hсlс.

2 Залежнсть Н(B) задаться кривою намагнчування феромагнт ного осердя на змнному струм.

Використовуючи рвняння (1.10), можна побудувати вольт-ам перну характеристику котушки з осердям, що ма повтряний зазор.

Для цього потрбно задатися рядом дючих значень напруги на ко тушц, потм визначити вдповд ну величину магнтно ндукц B.

Пдставивши в рвняння (1.10) значення магнтних напруг, знайдемо дюч значення еквва лентного синусодального стру му. Графчне розв'язання рвнян Рис. 1. ня (1.10) показане на рис. 1.19.

Крива B(I ) визнача вигляд вольт-амперно характеристики U( ), тому що величини В та U пропорцйн.

Повтряний зазор в осерд випрямля вольт-амперну характери стику котушки, роблячи практично нйною на значнй длянц (рис. 1.20,а). Довжина нйно длянки багато в чому визначаться спввдношенням магнтних напруг у повтряному промжку на феромагнтнй длянц магнтопроводу, тобто шириною зазору (див.

рис. 1.20,б).

Вдношення напруги до струму дорвню опору на змнному стру м (Z0 = U / I ). Тому на нйнй длянц вольт-амперно характери стики опр котушки залишаться постйним. Для регулювання опо ру котушки змнюють величину повтряного зазору в осерд. При збльшенн зазору ( 2 > 1 > 0 ) вольт-амперна характеристика ста все бльш положистою, а опр котушки (при U = const) пада, як показано на рис. 1.20,б.

а б Рис. 1. Крив рис. 1.20 показують, що при заданй напруз U на котуш ц (потоц в осерд) збльшення повтряного зазору виклика зро стання струму намагнчування I. Тому в тих випадках, коли вели чина зазору не задана спецальними технчними умовами, прагнуть по можливост зменшити його до гранично мало величини (напри клад, у трансформаторах, магнтних пдсилювачах, перетворювачах частоти та нших апаратах).

H 2.1. Призначення конструкця Трансформатором називаться статичний електромагнтний пристрй, що перетворю електричну енергю змнного струму з од ним рвнем (дючим значенням) напруги в електричну енергю змн ного струму з ншим рвнем напруги при незмннй частот напруги.

Одночасно вдбуваться перетворення рвня струму в закон збере ження енерг:

S1 =U1I1 = S2 =U2I2, де величини з ндексом 1 вдносяться до джерела електроенерг, на яке включено трансформатор, а з ндексом 2 - до споживачв, вклю чених на це джерело через трансформатор.

Основне призначення трансформаторв - узгодження рвнв но мнальних (робочих) напруг (або струмв) джерел споживачв. На суднах номнальне дюче значення нйно напруги джерел (синхрон них генераторв) дорвню 230...400 В. Споживач мають номнальн напруги 12, 36, 127, 220 В та н. Вони одержують електричну енергю через трансформатори, що нод називають силовими. Потужнсть стандартних суднових силових трансформаторв склада вд сотень ватв до сотень кловатв.

Для узгодження величин робочих напруг (струмв) електровим рювальних приладв з величинами вимрюваних ними напруг (стру мв) застосовуються вимрювальн трансформатори напруги струму.

Окрему групу складають трансформатори спецального призна чення: суднов статичн перетворювач, зварювальн, автотрансфор матори, роздлов та н. До складу радотехнчних систем, систем керування та пристров судново електроавтоматики входять мпульс н, роздлов, узгоджувальн, диференцювальн та нш типи мало потужних трансформаторв.

У залежност вд числа фаз у кол бувають однофазн трифазн трансформатори. Трансформатори, як використовуються для змен шення напруг, називаються знижувальними, а для збльшення на пруги - пдвищувальними. Принципово будь-який трансформатор оборотний: може бути або пдвищувальним, або знижувальним.

Варанти умовного зображення трансформаторв в електричних схемах показан на рис. 2.1 (а б - однофазн, в г - трифазн).

а б в г Рис. 2. Трансформатор складаться з замкнутого феромагнтного осер дя та обмоток. Осердя виготовляться з тонких зольованих одна вд одно пластин з феромагнтного матералу, який ма малу площу петл гстерезису. Цим досягаться зменшення втрат потужност в осерд на вихров струми та гстерезис. Пластини розташовуються в осерд вздовж силових нй поля. У цьому напрямку осердя праг нуть гранично зменшити повтрян зазори для зменшення магнтно го опору магнтопроводу. Длянки осердя, на яких розташован об мотки, називаються стержнями, а вльн вд обмоток - ярмами. Об мотки, як роблять з мдного або алюмнвого проводу з елек тричною золяцю, можуть розташовуватися концентричними ку лями, що чергуються, з метою зменшення хнх потокв розсюван ня. Обмотки одна вд одно зольован.

Найпростший двообмотковий однофазний трансформатор зо бражений на рис. 2.2, де показан варанти розмщення обмоток на рзних стержнях: а - стержньов;

б - броньов. Обмотка, яка пдклю чена до джерела змнно напруги, називаться первинною. Обмот ка, до яко пдключаться споживач, називаться вторинною.

U U U w2 w1 U w w аб Рис. 2. 2.2. Принцип роботи трансформатора Робота трансформатора заснована на явищ взамондукц. Дй сно, якщо первинну обмотку трансформатора пдключити до мере ж змнного струму з напругою U1 (див. рис. 2.2,а), то в нй буде проходити струм I1, що створить в осерд змнний магнтний потк Ф. Пд впливом цього потоку в обох обмотках трансформатора буде ндукуватися ЕРС. Якщо при цьому вторинна обмотка буде замкну та, то в нй буде змнний струм I2. Таким шляхом здйснються передача енерг з первинно обмотки у вторинну, а отже, перетво рення енерг змнного струму одн напруги в енергю змнного стру му ншо напруги.

Миттв значення ЕРС, що ндукуються в обмотках трансфор матора, визначаються за законом електромагнтно ндукц:

dФ dФ e1 = -w1 ;

e2 = -w2, dt dt де w1 w2 - клькост виткв первинно вторинно обмоток транс форматора.

При синусодальнй змн магнтного потоку Ф = Фm sin t мамо d(Фm sint) e = -w = -wФmcost = wФmsin t dt або e = Em sin t -, де Em = wФm - максимальне значення електрорушйно сили.

Переходячи до дючого значення ЕРС, одержумо Em wФm w2fФm E = = = = 4,44 fwФm.

2 2 Отже, для обох обмоток трансформатора мамо E1 = 4,44 fw1Фm ;

E2 = 4,44 fw2Фm.

Вдношення ЕРС первинно вторинно обмоток трансформа тора, що дорвню вдношенню клькостей х виткв, називаться кое фцнтом трансформац E1 4,44 fw1Фm w k = = =.

E2 4,44 fw2Фm w При робот трансформатора вхолосту, тобто коли у вториннй обмотц нема струму, а в первиннй вн ма мнмальну величину, можна вважати, що E1 U1 E2 =U02. Тому вдношення ЕРС, що ндукуться в обмотках трансформатора, приблизно дорвню вд ношенню напруг на його затискачах:

E1 w1 U k = =.

E2 w2 U Таким чином, коефцнт трансформац - це вдношення напруг на затискачах обмоток при холостому ход трансформатора. Вн показу, у скльки разв напруга первинно обмотки бльша або мен ша вд напруги вторинно обмотки. Якщо коефцнт трансформац бльше одиниц, то трансформатор називаться знижувальним , на впаки, трансформатор пдвищувальним, якщо його коефцнт трансформац менше одиниц.

Спввдношення мж струмами в первиннй вториннй обмот ках легко знайти за законом збереження енерг, вважаючи, що енер гя, споживана первинною обмоткою з мереж, дорвню енерг вто ринного кола трансформатора, тобто U1I1 =U2 I2.

Отже, I1 U2 = =, I2 U1 k тобто струми в обмотках трансформатора обернено пропорцйн напругам на затискачах цих обмоток. ншими словами, трансфор матор електричним редуктором, що дозволя при заданй потуж ност шляхом пдвищення напруги зменшувати величину струму навпаки.

Трансформатори, як електричн машини, можуть працювати в двох основних режимах - холостого ходу пд навантаженням. В експлуатацйних умовах може мати мсце режим раптового корот кого замикання.

2.3. Холостий хд трансформатора Холостим ходом трансформатора називаться такий режим його роботи, коли на первинну обмотку подана напруга U1 по нй про ходить струм I0, а вторинна обмотка розмкнута струм у нй дорв ню нулю (рис. 2.3). Струм, що протка по первиннй обмотц, у цьому випадку називаться струмом холостого ходу. Вн створю основний магнтний потк трансформатора Ф, що зчплються з обома обмотками, потк розсювання Фроз, який замикаться через повтря та охоплю тльки первинну обмотку. У зв'яз ку з наявнстю втрат у стал основний маг нтний потк буде вдставати вд струму хо лостого ходу на кут, а потк розсювання буде у фаз з цим струмом, тому що вн за Рис. 2. микаться переважно повтрям.

Основний магнтний потк Ф ндуку в первиннй обмотц ЕРС самондукц E1, а у вториннй - взамондукц E2. Потк розсю вання Фроз, що склада звичайно клька вдсоткв вд основного по току, ндуку в первиннй обмотц ЕРС розсювання Ероз. За свою природою ця ЕРС ЕРС самондукц тому може бути визначена з виразу & Epоз = - jLpозI&0 = - jX1I&0, де X1 - ндуктивний опр первинно обмотки трансформатора, що створються потоком розсювання.

Таким чином, на пдстав другого закону Крхгофа можна на писати рвняння ЕРС для первинно обмотки трансформатора & & & U1 + E1 + Epоз = I&0R1, де - активний опр первинно обмотки трансформатора.

R & Epоз = Замнюючи в цьому рвнянн ЕРС розсювання - jI&0X розв'язуючи рвняння вдносно одержумо U1, & & & U1 = -E1 + I&0R1 + jI&0X1 = -E1 + I&0 Z1, (2.1) & & де E1 - ЕРС самондукц, що протид прикладенй напруз U1 тому називаться зворотною, або протиелектрорушйною, силою;

Z1 = R1 + jX1 - повний опр первинно обмотки;

I&0 Z1 - повний спад напруги в первиннй обмотц трансформатора.

На пдстав рвняння (2.1), яке рвнянням рвноваги ЕРС, побу дована векторна даграма (рис. 2.4) холостого ходу трансформато ра. Спочатку вдкладаться вектор магнтного потоку, а вд нього в бк випередження на Фm кут - вектор струму холостого ходу I&0. Век & E1 & тори ЕРС E2 вдкладаються пд кутом 90 у бк вдставання вд вектора Фm, тому що вся ка ЕРС, що ндукуться змнним потоком, вд ста у свох змнах вд потоку на чверть пер оду. Вектор I&0R1 знаходиться у фаз з струмом I&0, а вектор jI&0X1 випереджа на 90 вектор & струму. Вектор напруги - це геометрична U Рис. 2. & сума вектора -E1 векторв спаду напруги.

Струм холостого ходу складаться з двох складових - активно I&p I&a, обумовлено втратами в стал, та реактивно, що створю ос новний магнтний потк трансформатора названа тому намагнчу вальним струмом, тобто I&0 = I&a + jI&p I0 cos0 + jI&0 sin0.

Величина реактивного струму, що намагнчу, звичайно в бага то разв бльша вд активного. Тому кут зсуву близький до 90 трансформатор, що працю вхолосту, навантажу живильну мере жу реактивною потужнстю.

Струм холостого ходу трансформатора невеликий , як прави ло, не перевищу 5...9 % вд номнального. При незмннй первиннй напруз струм холостого ходу створюваний ним магнтний потк E1 U Фm = = 4,44w1 f 4,44w1 f практично незмнн. Якщо ж первинна напруга змнються, то бу дуть змнюватися амплтуда магнтного потоку струм холостого ходу. Тому значне збльшення первинно напруги неприпустиме, оскльки при цьому внаслдок насичення рзко збльшуться струм холостого ходу.

Потужнсть, споживана трансформатором при холостому ход, P0 = Pм1 + Pc + Pд, де Pм1 = I0 R1 - втрати в мд первинно обмотки, що дуже мал;

Pc = p1/50 ( f 50)2Gc - втрати в стал осердя;

- до Pд = (0,15...0,2)Pc c датков втрати холостого ходу.

Тому що Pм1 мал ними можна знехтувати, втрати холостого ходу дорвнюють утратам у стал й додатковим:

P0 Pc + Pд.

Оскльки втрати в стал пропорцйн квадрату магнтно ндук ц, то можна написати 2 P0 = Pc Ф2 E1 U1, тобто втрати холостого ходу трансформатора пропорцйн квадра ту прикладено напруги, якщо напруга постйна, то втрати не змнн. Це означа, що втрати холостого ходу залишаються практич но незмнними при всх режимах роботи трансформатора.

2.4. Навантажувальний режим трансформатора Режим роботи трансформатора, при якому до первинно обмотки пдведена напруга U1, а вторинна замкнута на зовншнй опр Zн деякого споживача (рис. 2.5), називать ся навантажувальним (або робочим) ре жимом трансформатора. Цей режим ро боти трансформатора основним, тому що в цьому випадку здйснються пере дача електроенерг з первинного кола у вторинне.

У трансформатор при навантажен Рис. 2. н вдбуваються фзичн процеси. При замиканн вторинно обмот ки на зовншнй опр у нй пд впливом ЕРС E2 виника струм I2.

Цей струм створю в осерд трансформатора свй магнтний потк.

Частина потоку, яка замикаться по повтрю навколо виткв вто ринно обмотки, створю магнтний потк розсювання Фроз2, що на водить в обмотц ЕРС розсювання Ероз2. Величина ц ЕРС, як для первинно обмотки, може бути визначена за рвнянням & Eроз2 = - jLроз2I&2 = - jX2I&2, де X2 - ндуктивний опр вторинно обмотки, що створються пото ком розсювання.

нша (бльша) частина магнтного потоку Ф2, створюваного стру мом I2, замикаться по осерд трансформатора , вдповдно до за кону Ленца, протид магнтному потоку Ф1, створюваному первин ною обмоткою. Отже, при навантаженн основний магнтний потк трансформатора Ф, що зчплються з первинною вторинною об мотками, створю магнторушйн сили первинно I1w1 та вторин но обмоток. Якщо намагнчу трансформатор, то I2w I2w2 I1w розмагнчу його. Здавалося б, при збльшенн навантаження основ & & & ний магнтний потк Ф = Ф1 - Ф2 повинен зменшуватися, а при змен шенн навантаження - збльшуватися. Насправд ж основний магн тний потк трансформатора практично залишаться без змни.

Дйсно, до трансформатора як при холостому ход, так при навантаженн, пдводиться та сама напруга U1. З деяким наближен ням можна вважати, що ця напруга зрвноважуться ЕРС первинно обмотки E1, тобто U1 E1 = 4,44w1 fФm. Отже, основний магнтний потк U Фm = 4,44w1 f не залежить вд навантаження трансформатора при U1 = const за лишаться практично незмнним та дорвню потоку в режим холо стого ходу.

Оскльки при холостому ход основний магнтний потк Ф ство рються магнторушйною силою I0w1, а при навантаженн - спль ною дю магнторушйних сил I1w1 та I2w2, то можна написати рвняння магнторушйних сил трансформатора I&0w1 = I&1w1 + I&2w2.

Розв'язавши рвняння МРС вдносно струму I&1, одержимо w2 I&1 = I&0 + -I&2 = I&0 + - I&2.

w1 k З цього виразу видно, що струм I&1 можна розглядати як суму двох доданкв: струму холостого ходу, що створю основний ма I& гнтний потк Ф, навантажувального струму - I&2, який компен k су дю вторинного розмагнчувального струму. Тому при кожнй змн струму I2 у вториннй обмотц автоматично змнються струм I1 у первиннй, тобто в трансформатор ма мсце процес саморегу лювання. Автоматичним електромагнтним механзмом цього про цесу незначн коливання основного магнтного потоку трансфор матора.

Рвняння електрично рвноваги для первинно вторинно об моток трансформатора мають вигляд & & & U1 = -E1 + I&1R1 + jI&1X1 = -E1 + I&1Z1;

& & & E2 =U2 + I&2R2 + jI&2X2 =U2 + I&2 Z2, (2.2) де U2 - напруга на затискачах вторинно обмотки трансформатора;

- комплексний повний опр первинно обмотки;

Z1 = R1 + jX1 Z2 = = R2 + jX2 - комплексний повний опр вторинно обмотки;

I&1Z1, I&2 Z2 - комплексний спад напруги в обмотках трансформатора.

На пдстав рвнянь (2.2) можна побудувати векторну даграму навантаженого трансформатора. Однак у бльшост випадкв w1 w2, завдяки чому ЕРС, струми параметри обмоток трансфор матора вдрзняються за величиною. Ця обставина ускладню побу дову векторних даграм, зокрема для первинного вторинного кл необхдно мати рзн масштаби. З метою усунення цього недолку обидв обмотки трансформатора приводять до одного числа виткв називають такий трансформатор приведеним. Звичайно вс величи ни вторинно обмотки приводять до величин первинно через коеф цнт трансформац. Приведен величини позначаються E2, I2, R2, т. д., тобто так само, як дйсн величини, але з штрихом звер X ху.

Приведен величини трансформатора, виходячи з спввдношен ня E1 : E2 = k та енергетично екввалентност замни 2 E2I2 = E2I2, U2I2 = U2I2, I2 R2 = I22R2 = I22R2 та I22X = I22X2, вдповдно рвн:

w E2 = E2 = kE2 = E1;

w w U2 = U2 = kU2;

w w1 I2 = I2 = I2;

w2 k 2 I2 I R2 = R2 = R2 = k2R2;

I22 I k w X2 + X2 = k2X2;

w Z2 = R2 + jX2 = k2Z2.

Вдповдно до приведених величин вторинно обмотки рвняння струмв в ЕРС перепишуться так:

I1 = I&0 +(- I&2 );

& & U1 = -E1 + I&1R1 + jI&1X1;

& & E2 =U2 + I&2R2 + jI&2X2.

На пдстав цих рвнянь на рис. 2.6 побудован даграми для ак тивно-ндуктивного (а) та активно-мнсного (б) навантажень. При побудов даграм за вихдний вектор, як в даграм холостого ходу, береться вектор основного магнтного потоку Ф. Пд кутом до нього в бк випередження вдкладаться вектор струму I0, а пд ку том 90 в бк вдставання - вектор ЕРС E1 рвний йому вектор ЕРС. Пд кутом, величина якого визначаться характером зовнш E нього навантаження власних опорв вторинно обмотки, до векто ра E2 вдкладаться вектор. Вектор знаходиться шляхом ви I2 U рахування з вектора E2 векторв I2R2 та I2X2. Кут 2 мж векто рами визначаться характером навантаження трансформа U2 I тора. Для побудови даграми первинно обмотки трансформатора спочатку визначають струм I1 вдповдно до рвняння струмв. Пс ля цього ншу частину даграми будують так само, як це робиться для режиму холостого ходу. Кут 1 мж векторами U1 та I1 визна ча активну потужнсть, пдведену з мереж до трансформатора.

аб Рис. 2. Таким чином, при активно-ндуктивному навантаженн напру га зменшуться за рахунок збльшення спадання напруги у вторин нй обмотц, а при активно-мнсному навантаженн вона з тих же причин пдвищуться.

2.5. Схема замщення трансформатора змна вторинно напруги Електрична схема, яка екввалентна реальному навантаженому трансформатору, називаться схе мою замщення трансформатора. п основною цннстю те, що вона спрощу аналз розрахунок усх режимв роботи трансформатора.

На рис. 2.7 зображена Т-подбна схема замщення приведеного трансформатора. Схема складать Рис. 2. ся з трьох глок:

1) первинно з параметрами R1 X1, що зображують первинну обмотку;

2) вторинно з параметрами R2, X2 Zн, перш два з яких зображують вторинну обмотку, а Zн - навантаження трансформа тора;

3) магнтно, по якй де намагнчувальний струм I0, ЕРС на затискачах & & -E1 = -E2 = I&0(R0 + jX0 )= I&0 Z0, де Z0 = R0 + jX0 - повний опр намагнчувально глки, активний опр R0 = pc / I0 яко обумовлються втратами в стал, а реактивний опр X0 M.

Для приведено схеми замщення за законами Крхгофа можна написати наступн рвняння:

& U1 = I&1(R1 + jX1)+ I&2 (R2 + jX2 )+ I&2 Zн = I&1Z1 + I&2 Z2 +U2;

& & U1 = I&1(R1 + jX1)+ I&0(R0 + jX0 )= I&1Z1 + I&0 Z0 = I&1Z1 - E1;

I&1 = I&0 + I&2.

На пдстав цих рвнянь можна побудувати векторну даграму схеми замщення. При побудов дано даграми як вихдний вектор доцльно взяти вектор E1 = E2. Пд кутом до цього вектора вд кладаться вектор I2, а пд кутом 90 + - вектор I0. Ус нш побу дови виконуються так само, як при побудов векторно даграми навантаженого трансформатора.

При повному навантаженн трансформатора з припустимою похибкою намагнчувальну глку можна не враховувати, тому що I0 склада невелику величину вд струму I1, тобто вважати I1 = I2. У результат одержи мо спрощену схему замщення (рис. 2.8), у якй . Цю схемою R1 + R2 = R X1 + X2 = X можна користатися при виршенн ряду пи тань, зокрема при визначенн змни вторин Рис. 2. но напруги.

Змною напруги U трансформатора називаться алгебрачна рзниця мж номнальною вторинною напругою при холостому ход вторинною напругою U2, що встановилася при заданому на U вантаженн незмнному номнальному значенн первинно напру ги. Ця рзниця звичайно виражаться у вдсотках до U02 називать ся вдносною змною напруги U02 -U U % = 100 %.

U Змна вторинно напруги при повному навантаженн силових трансформаторв коливаться вд одного до шести вдсоткв у за лежност вд, а викликаться вона змною активного та ндук cos тивного спадв напруг у первиннй вториннй обмотках трансфор матора.

Змну вторинно напруги можна визначити дослдним шляхом, знявши зовншню характеристику трансформатора U2 = f (I2 ) при U1 = const cos2 = const, та анал тично. На рис. 2.9 наведен зовншн характеристики трансформатора, що вдповдають трьом рзним значен ням навантаження. При анал cos тичному визначенн U звичайно ко ристуються формулою Рис. 2. U = (Ua cos2 +Up sin 2 ), де - активна складова напруги;

Up - реактивна складова напру Ua ги;

= I / Iном = S / Sном - коефцнт навантаження;

2 - кут змщен ня мж напругою струмом вторинного кола трансформатора.

Процентна змна напруги визначаться за виразом Ua cos2 +Up sin U U % = 100 % = 100 %.

U02 U - вирази знаходяться з аналзу спрощено векторно даграми трансформатора. Вони показують, що змна вторинно напруги зро ста з збльшенням кута 2. Отже, реактивне навантаження викли ка бльшу змну напруги, нж активне. Це добре пдтверджують зов ншн характеристики трансформатора.

Регулювання вторинно напруги трансформатора звичайно здй снються змною числа виткв w1 або w2, що виходить з рвняння w U2 =U1. Звдси видно, що для пдвищення напруги U2 необхдно w збльшити w2 або зменшити w1, а для зниження - зменшити w2 або збльшити w1. Для цього обмотки трансформатора мають ряд вд галужень. Регулювання напруги проводиться при вдключеному трансформатор. Для регулювання напруги пд навантаженням у трансформаторах передбачаться спецальний регулювальний при стрй.

2.6. Дослди холостого ходу короткого замикання Дослди холостого ходу короткого замикання проводяться для дослдження трансформаторв та визначення х електричних вели чин параметрв.

Дослд холостого ходу проводиться за схемою, наведеною на рис. 2.10,а. Замкнувши коло первинно обмотки змнюючи напругу на затискачах вд 0 до, роблять замри струму, по U1 =1,2U1ном I тужност P0, первинно вторинно напруг та. За одержани U1 U аб Рис. 2. ми даними будують залежност I0, P0 = f (U1), що називаються характеристиками холостого ходу. У деяких випадках з метою еко ном часу вимрюють ус величини тльки при, тобто при U1 = U1ном номнальному значенн первинно напруги.

За даними, що вдповдають номнальнй напруз U1ном, визна чають:

а) коефцнт трансформац трансформатора E1 U1ном k = = ;

E2 U б) повний опр при холостому ход & U1ном Z0 = = R1 + jX1 + R0 + jX0 R0 + jX0, I& тому що R0 + jX0 >> R1 + jX1;

в) активний опр, обумовлений втратами в стал трансформатора, p R0 = = R0 + R1 R0, I тому що R0 >> R1;

г) ндуктивний опр холостого ходу трансформатора 2 X0 = Z0 - R0.

Дослд короткого замикання роблять за схемою, зображеною на рис. 2.10,б. У цьому випадку вторинна обмотка замикаться, а до первинно пдводиться така знижена напруга, при якй в обмот U1к ках трансформатора встановлюються номнальн струми I1ном та. За цих умов знмаються показання всх приладв.

I2ном За даними дослду короткого замикання визначаються:

а) вдносна номнальна напруга короткого замикання U1к uк = 100 %, U1ном що для силових трансформаторв склада 5...10 % вд номнально первинно напруги;

б) втрати короткого замикання Pк, що складаються з утрат у мд обмоток Pм1 Pм2 (втрати в стал Pc U ), Pк = Pм1 + Pм2 = I1 Rк;

в) опр трансформатора U1к Pк 2 Zк =, Rк = ;

Xк = Zк - Rк.

I I 2 Опори Rк = R1 + R2;

Xк = X1 + X2;

Zк = Rк + Xк називають параметрами короткого замикання.

При дослд короткого замикання в схем замщення (рис. 2.11), , отже, рвняння електрично рвноваги в цьому випадку Zн = набувають вигляду & & & Uк = -E1к + I&1Z1 = -E1к + I&1R1 + jI&1X1;

(2.3) & E2к = I&2 Z2 = I&2R2 + jI&2X2;

I&1 = -I&2.

& & Оскльки в приведеному трансформатор E1к = E2к = I&2R2 + & + jI&2X2, то, пдставивши отримане значення E1к в рвняння (2.3), одержимо & Uк = I&1Z1 + I&1Z2 = I&1[(R1 + jX1)+ (R2 + jX2 )]= = I&1[(R1 + R2 )+ j(X1 + X2 )]= I&1(Rк + jXк )= I&1Zк. (2.4) За рвняннями (2.3) (2.4) можна побудувати векторну даграму короткого замикання приведеного трансформатора.

Вдзначимо, що дослд короткого замикання звичайно проводиться в холодному стан трансформатора.

При робот ж пд навантаженням вн нагрваться. Тому, знай Pк, Rк i Zк Рис. 2. ден з дослду короткого замикання, приводяться до умовно температури 75 С за наведеними ранше фор мулами. ндуктивний опр не залежить вд температури. До тем Xк ператури 75 С приводиться також напруга короткого замикання.

2.7. Потужнсть ККД трансформатора Основною паспортною потужнстю трансформатора номналь на потужнсть Pном, тобто потужнсть на затискачах вторинно об мотки, що вказуться на щитку трансформатора вимрються у ВА або кВА. Крм того, характерними вторинна первинна потужно ст трансформатора.

Первинною потужнстю трансформатора називаться потуж нсть, що пдводиться до первинно обмотки. Первинна активна по тужнсть однофазного трансформатора визначаться за виразом P1 =U1I1cos1.

Вторинною потужнстю трансформатора називаться потуж нсть, одержувана на затискачах вторинно обмотки. Вторинна ак тивна потужнсть однофазного трансформатора P2 =U2I2 cos2.

Вдношення активно потужност, що вддаться вторинною об моткою, до активно первинно потужност називаться коефцн том корисно д трансформатора P2 U2I2 cos = =.

P1 U1I1 cos Потужнсть P1 завжди бльша вд P2 на величину втрат у транс форматор. - втрати складаються з електричних утрат в обмотках 2 втрат у стал. Електричн втрати в мд Pм = I1 R1 + I2 R2 пропорцй н квадрату струму, тобто залежать вд навантаження. Утрати в ста л, пропорцйн Pc U1, не залежать вд навантаження, тобто вони постйн. Отже, P1 = P2 + Pм + Pc P2 + тод P P2 Pм + Pc P.

= =1- =1- (2.5) P2 + Pм + Pc P2 + Pм + Pc P2 + P Стандарт рекоменду спрощений метод визначення ККД транс форматорв за формулою P0 + 2Pк = (2.6) 1- Pном cos2 + P0 + 2Pк %, де - вдношення заданого навантаження до номнального, тобто коефцнт завантаження трансформатора;

Pном - номнальна потуж нсть трансформатора, кВА;

cos2 - коефцнт потужност вторин ного кола трансформатора;

P0 - втрати холостого ходу, визначен з Pк дослду холостого ходу, кВт;

- втрати короткого замикання, ви значен з дослду короткого замикання, кВт.

Утрати в трансформатор вдносно мал, а ККД дуже високий досяга у великих трансформаторв понад 99 %. ККД досяга мак симального значення при Pм = Pc. Цю умову легко визначити, узяв ши першу похдну з виразу (2.5) по P2 або з (2.6) по зрвнявши до нуля. Навантаження трансформатора, за якого його ККД ма максимальне значення, називаться економчним.

2.8. Трифазн трансформатори Трансформування енерг трифазного струму можна здйснити за допомогою трьох однофазних трансформаторв (рис. 2.12), з'д навши х зркою чи трикутником у трифазну систему, або за допо могою спецальних трифазних трансформаторв (рис. 2.13). Основ ними недолками групи трансформаторв громздксть велика вага системи, а недолком трифазних - незручност транспортування, Рис. 2.12 Рис. 2. якщо трансформатори велико потужност , отже, великих розм рв. Тому для трансформування великих потужностей трифазного струму, як правило, застосовуться група трансформаторв, а для малих середнх - трифазн трансформатори.

Трифазн трансформатори звичайно виготовляються тристерж невого типу. На кожному стержн розташовуються первинна вто ринна обмотки одн фази. Початки обмоток вищо напруги позна чаються буквами А, В С а х кнц - X,Y, Z. Початки обмоток нижчо напруги вдповдних фаз позначаються a, b, c, а х кнц - x, y, z. Ус ц затискач виводяться на клемну дошку.

Первинн вторинн обмотки трифазного трансформатора або групи трьох однофазних трансформаторв з'днуються Y чи зр кою Y0, коли виведена нульова точка, або трикутником. Знахо дить застосування з'днання зизаом Z. При позначенн з'днань трансформаторв у чисельнику вказуться з'днання вищо сторони, а в знаменнику - нижчо.

Звичайно застосовуються дв основн групи з'днань: Y/Y0 -12, Y/ -11, як наведен на рис. 2.14. Цифри 12 11 при умовних познач ках схем указують кут змщення фаз мж векторами нйних напруг обмоток вищо нижчо напруг. Так, цифра 11 показу, що змщен ня фаз мж вдповдними векторами нйних напруг дорвню 30, а цифра 12 - 360. У суднових установках, крм зазначених груп, за стосовуються з'днання Y/Y-12 i / -12.

Рис. 2. Коефцнт трансформац трифазного трансформатора при з'д наннях Y/Y i / визначаться як вдношення нйних напруг, а при рзних з'днаннях, тобто Y/ та /Y - як вдношення фазних напруг.

Електромагнтн процеси, що вдбуваються в кожнй фаз три фазного трансформатора, як при холостому ход, так при симетрич ному навантаженн на фази, аналогчн процесам, що вдбуваються в однофазному трансформатор. Тльки в режим холостого ходу внаслдок несиметр магнтно системи (магнтн опори для двох крайнх потокв Ф1 Ф3 бльш, нж для середнього потоку Ф2) ма мсце несиметря струмв холостого ходу. Однак ця несиметря не ма стотного значення.

Трифазн трансформатори, як однофазн, виготовляються ма сляними сухими. Сух трансформатори випускаються в кожус без кожуха.

2.9. Спецальн типи трансформаторв Спецальн трансформатори дуже рзномантн. До них, зокре ма, належать автотрансформатори, вимрювальн багатообмотко в, трансформатори мало потужност, зварювальн випрямн, обер тов, трансформатори для перетворення фаз частоти тощо.

Автотрансформатори Автотрансформатором називаться такий трансформатор, у якого обмотка нижчо напруги частиною обмотки вищо напруги.

На рис. 2.15 наведена схема автотрансформатора.

В автотрансформатор, як в звичайно му трансформатор, мж напругами обмоток струмами мають мсце наступн спввдно шення:

U1 w1 I1 w2 = = k;

= =, U2 w2 I2 w1 k Рис. 2. де k - коефцнт трансформац;

U1,I1,w1 - напруга, струм число виткв первинно обмотки;

- напруга, струм число виткв U2,I2,w вторинно обмотки.

Режим холостого ходу автотрансформатора аналогчний режи му холостого ходу звичайного трансформатора. У робот ж авто трансформатора пд навантаженням принципова рзниця в порв нянн з звичайним трансформатором. По-перше, струм загально частини обмотки w2 становить рзницю первинного вторинного струмв, тобто I&12 = I&2 - I&1;

по-друге, пдведена до автотрансформатора потужнсть P1 =U1I&1 пе редаться у вторинну обмотку частково електромагнтним шляхом частково електричним, тому що обидв обмотки електрично зв'язан.

Дйсно, з огляду на те, що струми I&1 та I&2 за фазою майже вза мно протилежн, перепишемо рвняння у вигляд I&2 = I&1 + I&12 , по множивши обидв частини його на U2, одержимо & & & & & S =U2 I2 =U2 I1+U2 I12 = Pе + Peм, де S - повна потужнсть, передана автотрансформатором у вторин не коло;

- потужнсть, передана у вторинне коло електричним Pе шляхом;

Peм - потужнсть, передана у вторинне коло електромагн тним шляхом.

Якщо струми I&1 та I&12 виразити через коефцнт трансформа 1 ц та I&2, тобто I&1 = I&2 та I&12 = I&2 - I&1 = I&2 1-, то одержимо k k 1- 1 S.

S = Pе + Peм = S + k k Звдси виходить, що при збльшенн коефцнта трансформац потужнсть Pе зменшуться, а Peм збльшуться. Отже, при великих k рзниця мж автотрансформатором трансформатором згладжу ться. Крм того, при великих коефцнтах трансформац k спо живачв, що живляться вд автотрансформатора, необхдно захища ти вд перенапруги. Це також робить х небезпечними пд час обслу говування внаслдок прямого з'днання вторинного первинного кл.

Тому автотрансформатори звичайно виготовляються з k =1,25...2.

За цих умов ККД автотрансформаторв вищий, нж у звичайних трансформаторв.

Автотрансформатори можуть бути пдвищувальними знижу вальними, однофазними й трифазними. Вони застосовуються для пуску асинхронних синхронних електродвигунв, у високовольт них нях електропередач та регулювання вторинно напруги. Здй снються регулювання напруги за допомогою перемикача, що зм ню число виткв вторинного кола, або за допомогою ковзного стру моприймача. За таким принципом, зокрема, влаштован лаборатор н автотрансформатори ЛАТРи.

Вимрювальн трансформатори Трансформатори, що призначен для розширення меж вимру електровимрювальних приладв, називаються вимрювальними трансформаторами. Вони подляються на трансформатори струму трансформатори напруги.

Трансформатори струму застосовуються для вмикання ампер метрв, струмових котушок ватметрв, чильникв рзних реле. На рис. 2.16 показана схема вмикання амперметра через трансформа тор струму, який складаться з сердечника, первинно вторинно обмоток. Первинна обмотка трансформатора струму звичайно ма невелике число виткв включаться послдовно в коло, струм якого ви мряться. Вторинна обмотка ма бльше число виткв замикаться на вимрювальн прилади.

Номнальний струм вторинно обмотки завжди встановлються 5 А, а первинний визначаться спввдношенням w I1 = I2 = kI2.

w Рис. 2. Оскльки опр амперметрв струмових котушок нших прила дв звичайно малий, трансформатор струму практично працю в режим короткого замикання. Якщо пд час роботи трансформато ра струму розмкнути його вторинну обмотку, то струм у нй стане рвним нулю, а струм у первинному кол залишиться без змни. У результат магнтний потк трансформатора рзко збльшиться, що виклика неприпустимий його перегрв. Крм того, ЕРС вторинно обмотки зросте пропорцйно магнтному потоку досягне значень, небезпечних для обслуговуючого персоналу. Тому не можна розми кати вторинне коло працюючого трансформатора струму. Якщо ж потрбно вд'днати вд нього проводи, то попередньо необхдно за коротити обмотку.

Рзновидом трансформатора струму так зван вимрювальн кл щ, що мають одну вторинну обмотку, замкнену на амперметр, розмкнений сердечник, яким охоплються провд з вимрюваним струмом. Сердечник викону роль первинно обмотки трансформа тора.

Трансформатори напруги застосовуються для вимру високих напруг являють собою звичайн трансформатори невелико потуж ност. На рис. 2.17 зображена схема вмикання вольтметра через трансформатор напруги. Первинна обмотка ма велике число виткв пдключаться до ме реж, напруга яко вимряться. Вторинна об мотка ма невелике число виткв замикаться на вольтметр або струмову котушку нших при ладв. Номнальна напруга вторинно обмотки трансформатора звичайно встановлються 110 В, а величина первинно напруги визнача ться формулою U1 = kU2.

Рис. 2. Оскльки опр вольтметра струмових котушок нших приладв порвняно великий, трансформатор напруги практично працю в режим холостого ходу.

З метою безпеки один з затискачв вторинно обмотки кожух вимрювальних трансформаторв заземлюються.

Зварювальн трансформатори Залежно вд виду зварювання - дугове або контактне - зварю вальн трансформатори мають рзн характеристики конструктив не виконання. Найбльш розповсюдженими зварювальн трансфор матори для дугового зварювання. Вони являють собою однофазн знижувальн трансформатори 1 (рис. 2.18,а), обладнан реактивною котушкою 2 з розсувним сердечником для регулювання величини зварювального струму. Трансформатори звичайно працюють у ре жим, близькому до короткого замикання. Змнюючи величину по втряного зазору сердечника, можна плавно змнювати величину ндуктивного опору котушки 1 , отже, величину зварювального стру му. Зварювальн трансформатори мають крутопадаючу зовншню характеристику (див. рис. 2.18,б).

аб Рис. 2. Приклад 2.1. Однофазний трансформатор ОМ-6667/35 працю як знижувальний. Використовуючи його технчн дан, що наведен в табл. 2.1, розрахувати: коефцнт трансформац;

номнальн стру ми первинно вторинно обмоток;

напругу на вториннй обмотц U2 при активно-ндуктивному навантаженн, що склада 50 % ( = 0,5) вд номнального, cos = 0,8;

ККД при cos2 = 0,9 наван таженн, що склада 75 % ( = 0,75) вд номнального;

рчний ККД, якщо з повним навантаженням при cos2 = 0,8 трансформатор пра цю 7000 год.

Таблиця 2. Тип U1ном U2ном P0 Pк Uк I Sном, трансфор кВА кВ кВт % матора ОМ-6667/35 6667 35 10 17 53,5 8 ТС-180/10 180 10 0,525 1,6 3,0 5,5 Розв'язання. Коефцнтом трансформац k називаться вдно шення вищо напруги до нижчо в режим холостого ходу, незалежно вд того, який трансформатор - пдвищувальний або знижувальний:

k = U1ном /U2 ном = 35 /10 = 3,5.

Номнальн струми первинно вторинно обмоток визначимо за формулою номнально потужност трансформатора:

Sном =U2номI2ном U1номI1ном;

I1ном = Sном /U1ном = 6667/35 =190,5 А;

I2ном = Sном /U2ном = 6667/10 = 666,7 А.

Активно-ндуктивне навантаження трансформатора приводить до зниження напруги на вториннй обмотц, яку можна визначи U ти за формулою процентно змни напруги (у трансформаторах U не перевищу 1...6 %) U = [(U2ном -U2 )/U2ном]100 (Ua cos2` +Up sin2 )= 2,7 %, де - коефцнт навантаження;

Up - актив = I / Iном = S /Sном Ua на реактивна складов напруги короткого замикання, виражен у вдсотках;

Ua = (Pк.а / Sном )100 = (53,5 / 6667)100 = 0,8 %;

2 Up = Uк -Ua = 82 - 0,82 = 7,95 %;

U2 =U2ном [1- (U /100)]=10000[1- 0,0271]= 9730 В.

ККД трансформатора P2 P1 -(P0 + 2Pк)=1- P0 +2Pк = 100 = = P1 P1 P Sном cos2 P0 + 2Pк = 100 = = Sном cos2 + P0 +2Pк 1- Sном cos2 + P0 +2Pк 1+ 0,752 53, = 1- 0,7566670,9 +17 + 0,752 53,5 = 99 %, де - потужнсть утрат при холостому ход, що дорвню сум втрат P у стал на гстерезис вихров струми;

- потужнсть утрат в обмо Pк тках при короткому замиканн (при навантаженн, вдмнному вд номнального, потужнсть утрат в обмотках Pe = 2Pк ).

У сучасних трансформаторах, особливо потужних, при номналь ному навантаженн дорвню 98...99 %.

рч Рчний ККД врахову роботу трансформатора в рзних ре жимах. При цьому потужнсть утрат у стал враховуться протягом усього року - Т = 365 24 = 8760 год, якщо не зазначено, що транс форматор вдключаться з сторони первинно обмотки;

потужност втрат у провдниках обмоток Pпр враховуються тльки пд час робо ти пд навантаженням пропорцйн.

Отже, Sном cos2 T рч = = Sном cos2 T + P0T0 + 2PкT P0T0 + 2PкT = 1- Sном cos2 T + P0T0 +2PкT = 178760 +12 53, = 1-166670,87000 +178760 +12 53,57000 = 98,6 %.

Приклад 2.2. Трифазний трансформатор ТС-180/10 пдключе ний до мереж напругою 10000 В.

Використовуючи дан, що зазначен в паспорт (див. табл. 2.1), розрахувати: фазн напруги, якщо група з'днання трансформатора ;

фазний нйний коефцнти трансформац;

номнальн Y/ - струми первинно вторинно обмоток;

активн опори обмоток, якщо при короткому замиканн трансформатора потужност первинно вторинно обмоток рвн;

напругу вторинно обмотки при активно ндуктивному навантаженн, що склада 75 % вд номнального ККД при навантаженн, що склада 50 % ( = 0,75), cos 2 = 0,9;

( = 0,5) вд номнального, cos2 = 0,8.

Розв'язання. У трансформатора ТС-180/10 первинна обмотка з'д нана в зрку, а вторинна - у трикутник, тому фазн напруги U1ф =U1ном / 3 =10000/1,73 = 5780 В;

U2ф =U2ном = 525 В.

Фазний нйний коефцнти трансформац:

kф =U1ф /U2ф = 5780/525 11;

kл =U1ном /U2ном =10000/525 19.

Номнальн струми первинно вторинно обмоток визначимо за формулою номнально потужност трансформатора Sном = 3U2номI2ном = 3U1номI1ном, звдки I1ном = Sном /( 3U1ном)=180/(1,7310)=10,4 А;

I2ном = Sном /( 3U2ном)=180/(1,730,525)=198 А.

Знаходимо активн опори обмоток R1 i R2 з урахуванням того, що в кожнй обмотц трансформатора в трьох фазах струм корот кого замикання дорвню номнальному струму :

Iк I1ном Pк Pк R1 = = = = 4,62 Ом;

2 2 3I1к.з 23I1ном 610, Pк R2 = = = 0,038 Ом, 2 3I2ф 6114, де I2ф = I2ном / 3 =19/1,73 =114,4 А.

Напругу на вториннй обмотц навантаженого трифазного транс форматора визначають так само, як у приклад 2.1:

U = (Ua cos2 +Up sin2 )= 0,75(1,670,9 + 5,24 0,436)= 2,84 %, де Ua = (Pк / Sном )100 = (3 /180)100 =1,67 %;

2 Up = Uк -Ua = 5,52 -1,672 = 5,24 %.

У свою чергу, - це потужнсть усх трьох фаз, а Pк - потуж Sном нсть утрат у трьох фазах, що вказана в паспорт.

Отже, U2 =U2ном (1- U /100)= 525(1- 0,0284)= 510 В.

ККД трансформатора P2 Sном cos2 100 P0 + 2Pк = = = = P Sном cos2 + P0 + 2Pк 1- Sном cos2 + P0 + 2Pк 1,6 + 0,52 = 1- 0,5 1800,8 +1,6 + 0,52 3 = 97 %.

Приклад 2.3. В однофазному трансформатор визначити: ЕРС, яка ндукуться в одному витку;

ЕРС первинно вторинно обмо ток та коефцнт трансформац, якщо перерз стал сердечника Sс = 8 см2, максимальна магнтна ндукця в ньому Bm =1Тл, часто та мереж f = 50 Гц, число виткв w1 = 800 w2 =100.

Розв'язання. Максимальний магнтний потк у сердечнику Фm = BmSc = 810-4 Вб.

Дюче значення ЕРС, що ндукуться в одному витку, Eв = 4,44 fФm = 4,44 50810-4 = 0,178 В.

Дюч значення ЕРС первинно вторинно обмоток E1 = Eвw1 = 0,178800 =142,4 В;

E2 = Eвw2 = 0,178100 =17,8 В.

Коефцнт трансформац k = w1 / w2 = E1 / E2 = 800 /100 = 8.

H HHl K Hl ДB H 3.1. Загальн вдомост й основн поняття Електричн машини змнного струму, швидксть обертання яких змнються з змною навантаження на хньому валу, називаються асинхронними машинами. Вони, як вс нш електричн машини, обо ротн, тобто можуть працювати як генератори та електродвигуни.

Асинхронн машини можуть працювати також як гальма. Однак у технц х застосовують головним чином у рол електродвигунв.

Асинхронн електродвигуни подляються за числом фаз на од нофазн, двофазн трифазн, котр широко застосовуються.

Трифазний асинхронний електродвигун винайшов у 1889 роц М.О. Доливо-Добровольський.

Завдяки простот пристрою, високй надйност в експлуатац меншй вартост в порвнянн з ншими двигунами асинхронн дви гуни трифазного струму знайшли широке застосування в проми словост та сльському господарств. З хньою допомогою приводять ся в рух на суднах шпил, брашпил, металорзальн деревообробн верстати, пднмальн крани, лебдки, фти, ескалатори, насоси, вен тилятори й нш механзми.

3.2. Будова принцип д трифазних асинхронних електродвигунв Трифазн асинхронн електродвигуни складаються з двох основ них частин: нерухомо (статора) й обертово (ротора). За формою виконання ротора вони роздляються на два основн типи: електро двигуни з короткозамкненим ротором (короткозамкнен електродви гуни) та електродвигуни з фазним ротором (фазн електродвигуни).

Статори обох типв трифазних асинхронних електродвигунв нчим не вдрзняються один вд одного, тод як мж роторами значна рзниця.

На рис. 3.1 зображен подовжнй (а) поперечний (б, в) розрзи асинхронного двигуна трифазного струму.

Статор складаться з корпусу 1, що явля собою основу всього двигуна. Вн повинен мати достатню механчну мцнсть виготов лятись з стал, чавуну чи алюмню. За допомогою лап 8 двигун кр питься до фундаменту чи безпосередньо до станини виробничого механзму. сну й нший спосб крплення двигуна до виробничого механзму - на фланцях.

1 2 5 4 11 аб 2 3 Рис. 3. в У корпус 1 умонтований сердечник 2 статора, що явля собою порожнистий цилндр, на внутршнй поверхн якого пази 3 з об моткою статора 4. Оскльки в сердечнику статора змнний магнт ний потк на статор д момент, що розвиваться двигуном, сердеч ник повинен виготовлятися з феромагнтного матералу достатньо механчно мцност. Для зменшення втрат вд вихрових струмв сер дечник статора збирають з окремих пластин (товщиною 0,35...0,5 мм) електротехнчно стал кожен лист золюють лаком чи ншим золя цйним матералом.

Обмотка статора 4 виготовляться з зольованого мдного про воду круглого чи прямокутного перерзу, рдше - з алюмнвого про воду. Для золяц проводв один вд одного використовують папр бавовняну тканину, просочен рзними лаками, слюду, скловолокно та рзн емал. Для золяц проводв обмотки вд сердечника статора призначен електрозоляцйний картон, слюда, азбест, скловолокно.

Обмотка статора виготовляться з трьох окремих частин, на званих фазами. Фази можуть бути з'днан мж собою зркою чи три кутником. Початок обмоток будемо позначати на схемах буквами A, B C, кнц - X, Y, Z. Обмотки двигунв мало середньо потуж ностей виготовляють на напруги 380/220 та 220/127 В. Напруга, за значена в чисельнику, вдповда з'днанню обмоток зркою, у зна меннику - трикутником. Таким чином, той самий двигун при вдпо вднй схем з'днання його обмоток може бути ввмкнений у мережу на будь-яку зазначену в паспорт напругу. снують двигуни на 500, 660 1140 В.

Двигуни високо напруги виготовляють на напруги 3000 6000 В.

На корпус двигуна щиток з затискачами, за допомогою яких обмотка приднуться до трифазно мереж. До кожного затискача пдключений вдповдний вивд обмотки. Затискач, до яких пдклю чен початки обмоток, позначають терами C1, C2 С3, кнц обмо ток - вдповдно C4, C5 C6.

Сердечник 5 ротора (див. рис. 3.1) явля собою цилндр, збра ний, так само як сердечник статора, з окремих листв електротехнч но стал, у якому пази 6 з обмоткою 7 ротора.

Ротор будь-якого асинхронного електродвигуна складаться з осердя й обмотки. Осердя набираться з штампованих листв елек тротехнчно стал товщиною 0,35...0,5 мм, в його пази вкладаться обмотка. У залежност вд виконання обмотки ротори асинхронних двигунв виготовляються двох типв - короткозамкнен (рис. 3.2,а) фазн (рис. 3.3).

1 2 Rд а б Рис. 3. Рис. 3. Обмотка короткозамкненого ротора (див. рис. 3.2,б) робиться з латунних стержнв, що закладаються в пази ротора. Торц стержнв з'днуються кльцями. Така обмотка називаться блячою клткою.

У деяких конструкцях короткозамкнених роторв обмотка робить ся з алюмню, що заливаться безпосередньо в пази ротора. Крм того, зустрчаються ще короткозамкнен ротори з глибоким пазом ротори з подвйною блячою клткою. Обидв ц форми виконання роторв мають мету полпшити умови пуску.

Обмотка фазного ротора (див. рис. 3.3) виконуться подбно обмотц статора у вигляд трьох фазних обмоток, з'днаних зркою.

Три вльн кнц фазних обмоток приднуються до трьох клець 1, що називаються контактними. - кльця укрплен на валу ротора й зольован одне вд одного вд вала. У збраному електродвигун до контактних клець притискаються щтки 2, що з'днуються дал з пусковим (або додатковим регулювальним) реостатом Rд. Крм того, ц електродвигуни мають пристро для замикання накоротко обмот ки ротора псля пуску.

Вал ротора 9 (див. рис. 3.1) виготовлений з стал й обертаться в кулькових чи роликових пдшипниках 10. Пдшипники закрплен в пдшипникових щитах 11, що виготовлен з чавуну або стал при крплюються до корпусу болтами.

Принцип д трифазного асинхронного електродвигуна засно ваний на взамод обертового магнтного поля статора з струма ми, що наводяться цим полем в обмотц ротора. Дйсно, якщо об мотки статора з'днати зркою чи трикутником пропустити через них трифазний струм (рис. 3.4), то всередин статора виникне обер тове магнтне поле, частота обертання якого, як установлено ран ше, n1 = 60 f / p. Це поле буде наводити в обмотц ротора ЕРС, пд впливом яко в провдниках обмотки ротора виникнуть струми.

Вд взамод цих струмв з обер iC товим полем статора ротор почи- i iA iB на обертатися в бк обертання Im T T поля. Однак швидксть обертання T Im ротора n2 завжди менша вд швид 6 7 кост поля, тому що при n2 = n1 бу 1 5 t дуть ндукуватися струми в обмот ц ротора , отже, ротор не буде 60 обертатися. Швидксть поля n1 на зиваться синхронною, швидксть T ротора n2 - асинхронною. Вдста вання ротора вд поля статора ха- Рис. 3. рактеризуться так званим ковзанням n1 - n s =.

n З цього рвняння визначиться частота обертання ротора n2 = (1- s)n1.

Ковзання, що вдповда номнальному навантаженню електро двигуна, називаться номнальним ковзанням. В асинхронних елек тродвигунв нормального виконання воно звичайно становить 0,06...0,01 (6...1 %) у залежност вд потужност електродвигуна. Тому частота обертання ротора асинхронних електродвигунв мало вдрз няться вд частоти обертання поля статора. Так, наприклад, якщо n1 = 1500 об/хв s = 3,6 %, то частота обертання ротора асинхронно го двигуна n2 = (1- 0,036)1500 =1450 об/хв.

Вдставання ротора вд поля статора (ншими словами, несин хронне обертання ротора з полем статора) визначило назву асин хронного електродвигуна.

3.3. Процеси, що проходять у нерухомому ротор Обмотка ротора не ма електричного зв'язку з обмоткою стато ра. Мж ними сну тльки магнтний зв'язок, енергя з одно обмот ки передаться в ншу за допомогою магнтного поля. У цьому вд ношенн асинхронний двигун подбний трансформатору, у якому обмотка статора первинною, а обмотка ротора - вторинною.

При нерухомому ротор в обмотках статора ротора ндукуються ЕРС E1 = 4,44 fw1k1Фm ;

E2 = 4,44 fw2k2Фm, де f - частота напруги мереж;

w1 w2 - число виткв в обмотках статора та ротора;

k1 k2 - обмотков коефцнти, що враховують просторове розмщення обмоток (як правило, мають величину 0,9...0,92);

Фm - амплтуда обертового магнтного потоку.

Напруга, що пдведена до статора зрвноважу ЕРС та спад напруги в обмотц, & & U = -E + Z1I&1.

Струм статора & & U + E I&1 =, Z де Z1 = R1 + jX1 - повний комплексний опр фази обмотки статора.

Струм ротора & E I&2 =, Z де Z2 = R2 + jX2 - повний комплексний опр фази обмотки ротора.

3.4. Процеси, що проходять у рухомому ротор Магнтний потк статора перетина обертовий ротор з частотою ns = n1 - n2, а частота струму в ротор pns p(n1 - n2 ) n1 pn1 n1 - n f2 = = = = sf.

60 60 n1 60 n ЕРС у рухомому ротор E2 s = 4,44 f2w2k2Фm = 4,44sfw2k2Фm = sE2, де E2 - ЕРС, що ндукуться в обмотц нерухомого ротора.

Струм у рухомому ротор E2 s E2 s I2 = =, 2 2 2 R2 + X2 s R2 + s2X де X2 s = 2f2L2 = 2sfL2 = sX2 - ндуктивний опр фази рухомого ротора.

Перетворимо струм у рухомому ротор:

E I2 = R2 + X s або в зведених величинах E I2 =, R2 +(X ) s де R2 s - екввалентний зведений опр обмотки ротора, який з зро станням навантаження зменшуться, що спричиня збльшення по тужност, споживано двигуном.

Пд час розкручування ротора ковзання зменшуться, наближа ючись до нуля, струм у ротор також зменшуться.

Кут змщення фаз мж струмом ЕРС ротора X2 s sX tg2 = = R2 R або R R2 R s cos2 = = =.

2 R2 + X2 s R2 +(sX2 2 2 R ) + X s 3.5. Обертаючий момент трифазних асинхронних електродвигунв Електрична потужнсть, що пдводиться до статора асинхронно го електродвигуна, перетворються в механчну потужнсть на валу частково втрачаться в машин. Цей процес перетворення показано на енергетичнй даграм (рис. 3.5). Остання зображена у вигляд пото ку енерг, що рухаться, починаючи з потужност, пдведено до ста тора, закнчуться корисною потужнстю на валу електродвигуна.

Потужнсть, що пдведена до статора електродвигуна, визнача ться формулою P1 = 3U1I1 cos = 3UIcos, де U1, I1 - фазн величини напруги стру му;

U, I - нйн значення напруги стру Рис. 3. му;

cos - коефцнт потужност елек тродвигуна.

Частина ц потужност втрачаться в статор електродвигуна у вигляд втрат у стал pс1 втрат у мд рм1. нша ж (бльша) частина пдведено до статора потужност електромагнтним шляхом пере даться ротору. Ця потужнсть називаться електромагнтною ви значаться формулою Pем = P1 - pм1 - pс1.

Частина електромагнтно потужност втрачаться в ротор у вигляд втрат у мд рм2, а нша частина перетворються в механч ну, тобто Pмех = Pем - pм2.

У робочому режим втрати в мд ротора рм2 (електричн втрати) набагато бльш, нж утрати в стал ротора рс2 (магнтн втрати):

pм2 >> pс2, тому можна записати pм2 = sPем.

Крм того, у ротор механчн втрати рмех додатков рд. Отже, корисна потужнсть на валу асинхронного електродвигуна P2 = Pмех - pмeх - pд.

Коефцнт корисно д P =.

P Номнальний ККД сучасних асинхронних двигунв дорвню 0,75...0,95.

Процес перетворення електрично потужност в механчну обу мовлються виникненням в асинхронному електродвигун оберта ючого моменту. Останнй одню з найважливших характеристик електродвигуна. Виведемо вираз для обертаючого моменту роз глянемо механчну характеристику асинхронного електродвигуна.

Очевидно, що обертаючий момент електродвигуна може бути визначений за величиною електромагнтно потужност, передано ротору електродвигуна, якщо вважати, що вона цлком перетворить ся в механчну. Дйсно, електромагнтна потужнсть електродвигу на в момент його пуску в хд, коли n2 = 0, може бути виражена формулою Peм = 3E2I2 cos2, (3.1) де Е2, I2 - ЕРС струм фази нерухомого ротора;

- кут змщення мж ЕРС струмом фази ротора.

З ншого боку, електромагнтна потужнсть ЕРС може бути ви ражена добутком обертаючого моменту на кутову швидксть обер тового магнтного потоку 1, тобто Peм = M1. (3.2) Прирвнюючи прав частини рвнянь (3.1) (3.2), одержумо M1 = 3E2I2 cos2, звдки 3E2I M = cos2.

Замнивши в цьому вираз Е2 його значенням 4,44w2k02 f1Фm, а також з огляду на те, що 2n1 2f 1 = =, 60 p одержимо 34,44w2k02 f1Фm M = I2 cos2 = cФmI2 cos2, 2f p де с - постйний коефцнт, що залежить вд конструктивних елемен тв електродвигуна.

Це рвняння показу, що обертаючий момент даного асинхрон ного електродвигуна пропорцйний обертовому магнтному потоку Фm та активнй складовй струму ротора I2 cos2, тобто процес пере творення електрично потужност в механчну характеризуться ак тивною потужнстю.

Обертаючий електромагнтний момент двигуна можна записа ти так:

sE2 R2 E2R M = cФm = cФm 2.

2 R2 R2 + (sX2 )2 R2 + (sX2 ) + sX s Залежнсть моменту M на валу вд ковзання s або вд частоти обертання ротора n2 при постйнй напруз живлення та частот струму називаться механчною характеристикою.

Механчна характеристика M(s) асинхронного двигуна, побу дована з урахуванням змни ковзан ня s вд 1 до 0, наведена на рис. 3.6.

Видляють три моменти: ном нальний Mном, максимальний (або M(s) критичний) Mmax, пусковий Mпуск, а також вдповдн цим моментам ковзання sном, sкр (критичне), sпуск.

Величини ковзань sном = 0,02...

...0,05;

sкр = 0,1...0,15;

sпуск = 1.

В асинхронних двигунв, як правило, Mmax /Mном = =1,7...2,2 ;

Рис. 3. Mпуск /Mном =1,0...2,.

Вдношення = Mmax /Mном називаться перевантажувальною здатнстю.

Максимальний обертаючий момент розбива криву M(s) на дв длянки: ОА АВ. Длянка ОA - стйкий режим: з збльшенням мо менту навантаження частота обертання ротора сповльнються, ковзання збльшуться, зроста обертаючий момент. Нове положення рвноваги досягаться, коли обертаючий момент ста рвним галь мвному. При цьому ротор двигуна стйко обертаться з зменше ною швидкстю. Длянка AВ вдповда нестйкому режиму роботи:

з збльшенням моменту M навантаження збльшуться, обертаю чий момент зменшуться, ковзання зроста ще бльше, двигун зупи няться почина швидко нагрватися, тому що при s =1 його струм у шсть-см разв перевищу номнальний.

Механчну характеристику можна побудувати за рвнянням Клосса 2Mmax M =, sкр s + sкр s де критичне ковзання, що вдповда максимальному моменту, sкр = sном( + 2 -1), номнальне ковзання n1 - nном sном =.

n 3.6. Робоч характеристики двигуна Робоч характеристики асин хронного двигуна (рис. 3.7) пока I1 M ;

;

;

;

cos зують залежнсть його експлуата I1ном Mном цйних параметрв вд потужност навантаження на валу P2;

до цих 0, cos параметрв вдносять струм акти 0, I вну потужнсть, ККД, швидксть 0, ротора та коефцнт потужност M двигуна.

0, При холостому ход P2 = 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 P2/Pном струми статора I01 створюють обер тове поле. Вдношення I01 I1ном в Рис. 3. асинхронного двигуна досить велике склада 30...50 %, тому що повтряний зазор стотно збльшу опр магнтного кола. Унаслдок утрат у магнтопровод вентиляцйних у двигун при холостому ход cos01 = 0,1...0,2. Частота обертання ротора n2 = (0,995...0,998)n1. На рис. 3.7 швидкост обертання магнтного поля ротора - 0 та 2.

У мру зростання навантаження на валу струм статора збльшу ться, тому що вдбуваться компенсаця д розмагнчувального стру му ротора. При збльшенн навантаження на валу зроста активна складова струму I2, що виклика вдповдне зростання активно скла дово струму I1. У свою чергу, збльшуться cos1 = P1 P12 +Q1.

Природно, що швидксть двигуна зменшуться, оскльки це дина причина збльшення струму I2 й обертаючого електромагнтного моменту. При навантаженнях, близьких до номнального, зростання ККД сповльнються;

бльш того, вн може трохи падати внаслдок збльшення втрат в обмотках машини.

Аналогчний характер ма крива коефцнта потужност, але причина спаду cos1 при великому навантаженн ма ншу приро ду. З зростанням навантаження збльшуються струми I2 й I1 пд силюються поля розсювання. Тому збльшуться реактивна потуж нсть Q1, пов'язана з обмном енергю мж полями розсювання живильною мережею. При номнальному навантаженн ККД дви гуна = 0,92...0,96, а cos1 = 0,7...0,9.

3.7. Пуск у хд асинхронних електродвигунв Основними величинами, що визначають способи пуску в хд асинхронних електродвигунв, величини пускового моменту пус кового струму. Дйсно, для того, щоб асинхронний електродвигун рушив з мсця розвив швидксть до сталого значення, пусковий мо мент повинен бути бльший вд моменту опору. У загальному випад ку, тобто при пуску електродвигуна пд навантаженням, пусковий момент може бути виражений формулою Mпуск = М0 + Мн + M, j де M0 - момент холостого ходу;

Mн - момент корисного наванта ження на валу машини;

M - момент сил нерц системи.

j Пусковий струм асинхронного електродвигуна по можливост повинен бути найменшим не перевищувати припустиму межу для даного джерела чи системи живлення.

У зв'язку з цим до пуску асинхронних двигунв ставляться основн вимоги:

а) найбльша кратнсть пускового моменту Mпуск KM = ;

Mном б) найменша кратнсть пускового струму Iпуск KI = ;

Iном в) пуск повинен бути плавним, а тривалсть пуску - невеликою.

- вимоги в основному визначають способи пуску в хд трифаз них асинхронних електродвигунв.

3.7.1. Пуск короткозамкнених електродвигунв Пуск у хд трифазних короткозамкнених асинхронних електро двигунв може бути здйснений прямим вмиканням у мережу чи при зниженй напруз живлення. На рис. 3.8 показан основн схеми пус ку цих електродвигунв.

вд аг б Рис. 3. Пуск електродвигунв прямим вмиканням у мережу найбльш роз повсюджений проводиться рубильником (див. рис. 3.8,а) чи ншим пусковим пристром. Цей спосб простий зручний в експлуатац, але вн ма велику кратнсть пускового струму KI = Iпуск / Iном = 5,5...7,0 порвняно малу кратнсть пускового моменту KM = Mпуск /Mном = =1,0...1,8. Тому даний спосб пуску застосовуться в тих випадках, коли потужнсть електродвигуна вдносно невелика в порвнянн з потужнстю джерела живлення , крм того, не потрбна плавнсть пуску. Якщо виконана перша з цих умов, то пусковий струм не ви клика неприпустимого спадання напруги в мереж живлення. Для самого ж електродвигуна пусковий струм безпечний, тому що три валсть пуску невелика.

Пуск асинхронних електродвигунв при зниженй напруз зви чайно здйснються переключенням обмотки статора з зрки на три кутник, включенням статора через автотрансформатор введенням у коло статора дроселя чи пускового реостата. В усх цих випадках знижуться напруга на затискачах електродвигуна , отже, зменшу ться величина пускового струму. Але при цьому пусковий момент електродвигуна зменшуться майже пропорцйно квадрату зниже но напруги. Тому такий спосб застосумо тльки при пуску елек тродвигунв ухолосту.

Пуск електродвигуна за допомогою пускового реостата (див.

рис. 3.8,б) поляга в тому, що статор вмикаться в мережу через пу сковий реостат. Коли електродвигун розвине номнальну швидксть обертання, пусковий реостат шунтуться рубильником В2, а обмот ка статора включаться на повну напругу мереж. Механчна харак теристика показана на рис. 3.8,в.

Схема пуску електродвигуна за допомогою переключення об мотки його статора з зрки на трикутник наведена на рис. 3.8,г. Пуск проводиться в такий спосб: перемикач ставлять у положення "а" (Y) замикають триполюсний рубильник В1;

коли електродвигун розвине номнальне число обертв, тод перемикач швидко перево дять у положення "б" (). Цим закнчуться процес пуску. Пуско вий струм при цьому способ пуску зменшуться в три рази в порв нянн з струмом, що виника пд час пуску електродвигуна прямим вмиканням у мережу при з'днанн обмотки статора трикутником.

Дйсно, якщо фазн обмотки електродвигуна з'днати зркою, то пу сковий струм у нйному провод UфY Uл IлY = IфY = =.

Zф 3Zф Якщо ж обмотки електродвигуна при його пуску будуть з'дна н трикутником пдключен пд ту ж саму нйну напругу, то Uл нйний пусковий струм буде ншим:

Uф Iл = 3Iф = 3.

Zф Узявши вдношення нйних струмв, одержимо Iл Uф Uл = 3 : = 3.

IлY Zф 3Zф Величина пускового моменту в цьому випадку зменшуться та кож у три рази.

Механчна характеристика при з'днанн зркою (Y) та трикут ником () показана на рис. 3.8,д.

Пуск електродвигуна за допомогою автотрансформатора поля га в тому, що статор вмикаться в мережу через автотрансформа тор. Коли електродвигун розвине номнальну швидксть обертання, автотрансформатор шунтуться рубильником, а обмотка статора включаться на повну напругу мереж. При цьому пусковий струм зменшуться в k раз, де k - коефцнт трансформац автотрансфор матора. Але складнсть схеми висока вартсть апаратури трохи обмежують застосування автотрансформаторного пуску асинхрон них електродвигунв.

3.7.2. Пуск фазних електродвигунв Пуск таких електродвигунв, як правило, проводиться за допо могою пускового реостата, що вводиться в коло ротора (рис. 3.9,а).

Перед пуском реостат уводять у коло ротора, а по мр розгону дви гуна плавно зменшують опр реостата, виводячи його цлком до кн ця пуску. Зупинка двигуна проводиться вимиканням рубильника.

Пусковий реостат у кол ротора зменшу пусковий струм од ночасно збльшу пусковий момент електродвигуна. Це пояснють ся тим, що, збльшуючи активний опр кола ротора, зменшують струм I2 ротора, але одночасно збльшують cos 2, причому переважне зна чення ма збльшення cos2. У результат цього активна складова струму ротора I2 cos 2 збль шуться, а з нею разом зроста пусковий мо мент електродвигуна.

ав б Рис. 3. На рис. 3.9,б показан залежност пускового струму моменту вд активного опору кола ротора, а на рис. 3.9,в - залежнсть обер таючого моменту вд ковзання при рзних опорах у кол ротора. Пу сковий момент досяга найбльшого значення при, де R2 X1 + X R2 становить суму активного опору обмотки ротора пускового реостата. Змнюючи величину опору пускового реостата, можна отримати потрбну пускову характеристику електродвигуна.

3.8. Способи регулювання швидкост ротора Пдставимо в рвняння частоти обертання ротора n2 = n1(1- s) значення частоти обертання магнтного поля n1 значення ковзан ня s. У результат виходить розгорнуте рвняння, що визнача залеж нсть частоти обертання ротора асинхронного двигуна вд рзних параметрв кола:

60 f 3I2 R n2 = n1(1- s)=.

1 p Pем З нього виплива, що можлив чотири способи регулювання ча стоти обертання ротора асинхронних двигунв:

1) змною частоти живильно мереж f;

2) змною опору ротора фазного двигуна;

R 3) переключенням обмоток статора двигуна з короткозамкне ним ротором на рзне число пар полюсв р магнтного поля;

4) змною напруги, пдведено до статора двигуна, завдяки чому змнються електромагнтна потужнсть Pем.

Регулювання частоти обертання ротора асинхронного двигуна за першим способом можливо здйснити при живленн двигуна вд окремого генератора, тобто за системою ГЦД (генераторЦдвигун) змнного струму (рис. 3.10). Змна частоти вдбуваться при змн швидкост обертання первинного двигуна. При регулюванн часто ти необхдно пдтримувати сталсть магнтного потоку, що забезпе чу сталсть моменту струму.

Рис. 3. Постйний потк буде в тому випадку, якщо при змн частоти вдповдно змнються напруга, яка пдводиться до двигуна. Так системи застосовують у суднових електрогребних установках. Для регулювання швидкост суднових механзмв такий спосб не засто совуться.

В останн роки все бльшого поширення набува регулювання швидкост двигуна за допомогою змни частоти напруги на статор нй обмотц. При регулюванн частоти швидксть можна плавно змнювати так, що максимальне значення буде в десятки чи сотн разв перевищувати мнмальне. Таку можливсть дають напвпровд ников тиристорн перетворювач частоти, що включаються мж промисловою мережею 50 Гц двигуном (рис. 3.11).

При другому способ передбачаться введення додаткового опо ру в коло ротора двигуна з фазним ротором. При тому самому мо мент частота обертання ротора знижуться (ковзання s збльшу ться) при збльшенн опору ротора, що виходить з рвняння E2R2 E M = cФm 2 = cФm.

R2 2 R2 sX + sX2 + s s R Критичний момент при цьому залишаться не змнним, що виплива з рвняння 3U1ф Mкp =, 20(X1 + X2 ) а критичний опр зроста:

Рис. 3. R sкр = .

X1 + X При рзних значеннях додаткового опору утворюються рзн регулювальн механчн характеристики (рис. 3.12).

Характеристики 1, 2 3 отриман при рзних додаткових опорах у кол ротора Rд Rд1 < Rд2 < Rд3, де опр вдповда ха рактеристиц 1 т. д.

Рис. 3. Звичайно для регулювання застосову ють ступен пускового реостата, названого в цьому випадку пуско регулюючим. На вдмну вд суто пускових, пускорегулююч опори повинн бути розрахован на нагрвання при тривалому проходжен н по них струму.

Регулювання швидкост за розглянутим способом можливе лише в бк зменшення. При цьому пропорцйно знижуться ККД двигу на, що основним недолком цього способу регулювання.

Третй спосб знаходить широке застосування в суднових елек троприводах. Число пар полюсв можна змнювати, переключаючи фазн обмотки статора з одн схеми з'днання на ншу. Найбльш розповсюджений випадок - це переключення з схеми "проста зрка" на схему "подвйна зрка" (рис. 3.13). Кожна фазна обмотка двигуна ма дв котушки. У першй схем ко тушки з'днан послдовно, а в дру гй - паралельно. Через це число по люсв зменшуться вдвч, а швид ксть збльшуться в два рази. Так електродвигуни мають усього два ступен швидкост, що вдносяться один до одного як 1:2.

Для суднових електроприводв Рис. 3. застосовують багатошвидксн елек тродвигуни, що мають дв незалежн одна вд одно обмотки стато ра. Кожна з них утворю певне число пар полюсв. У тришвидксних двигунв цього типу одна обмотка може переключатися, крм того, з схеми трикутника чи зрки на схему подвйно зрки. У робот цих двигунв при будь-якй швидкост бере участь лише одна обмотка статора. Спввдношення швидкостей у таких двигунв бува 1:2;

1:3;

1:4;

1:2:4;

1:3:6.

Тут можливе тльки схдчасте регулювання з фксацю швидко ст обертання на кожному ступен. Жорстксть регулювальних харак теристик майже така ж, як у природно. Утрат енерг при регулю ванн нема, але ККД cos багатошвидксних двигунв трохи ниж ч, нж у звичайних двигунв, вартсть х вища. При нших рвних умовах вони бльш за розмрами для керування ними потрбна бльш складна й дорога апаратура.

Четвертий спосб регулювання здйснюють, включаючи в коло статора трифазний дросель наси чення. Вн складаться з трьох ко тушок змнного струму й одн котушки постйного струму, роз ташованих на загальному стале вому магнтопровод (рис. 3.14).

Котушка постйного струму жи виться вд випрямляча через рео стат.

Регулюючи величину постй Рис. 3. ного струму, змнюють ступнь насичення магнтопроводу дроселя, унаслдок чого змнються н дуктивний опр обмоток змнного струму, що, у свою чергу, змню напругу на затискачах статора швидксть обертання двигуна.

Регулювальн характеристики наведен на рис. 3.15. Автоматично змнюючи за спецальною схемою струм пдмагнчування в залежност вд швидкост обертання двигуна, можна одержати жорстк характери стики. Однак така система ма стот Рис. 3. н недолки: при регулюванн знач но знижуються ККД cos двигу на, схема регулювання дуже складна, а сам дросел громздк й до рог. Тому в суднових електроприводах такий спосб регулювання не знаходить застосування.

3.9. Однофазн асинхронн двигуни У системах автоматичного керування, побутових приладах промислових пристроях застосовуються однофазн асинхронн дви гуни мало потужност. Для живлення однофазних двигунв потрб на однофазна мережа, яка ма два проводи замсть трьох проводв трифазно мереж, що да в одних випадках економчну вигоду, в нших - зручнсть в експлуатац. Однофазн двигуни застосовують ся в установках середньо потужност (клька десяткв кловатв), де хн використання доцльне економчно (два проводи замсть трьох) за умовами експлуатац, наприклад у транспортних пристроях шахт. Серед велико рзномантност однофазних двигунв найбль шого поширення набули двигуни з короткозамкненою обмоткою ротора;

ротор його обмотка виконан так само, як в трифазних двигунв. Статор таких двигунв бува з явновираженими полюса ми та короткозамкненим витком (рис. 3.16,а) - його дал будемо називати двигуном А - з неявновираженими полюсами та двома обмотками (див. рис. 3.16,б) - його дал будемо називати двигуном Б.

Двигуни мають робочу 1 пускову 2 обмотки. Робоча обмотка двигуна А (див. рис. 3.16,а) складаться з певного числа виткв зо льованого проводу вмикаться в мережу однофазного струму. Пу скова обмотка ма всього один виток товстого дроту, що охоплю частину перерзу полюса.

а б Рис. 3. Робоча пускова обмотки двигуна Б (див. рис. 3.16,б) розташо ван в пазах, як в трифазних двигунв. Обмотки змщен в простор на 90. Робоч обмотки 1 двигунв А Б вмикаються в мережу одно фазного струму. Струм, що виника в обмотках 1 двигунв, ство рю нерухоме в простор й пульсуюче з частотою мереж магнтне поле, що наводить в обмотц ротора ЕРС струм. Легко показати, використовуючи правила право во руки, що в результат вза мод струму ротора з магнтним полем виникають сили (рис. 3.17,а), результуючий момент яких вдносно ос обертання виявляться рв ним нулю. Без додаткових пристров двигуни не розвивають моменту самостйно розгнатися не можуть. Якщо ж ротору зовншнм зу силлям додати невелику швидксть, вн почне розвивати момент розженеться самостйно до стало швидкост, обумовлено момен том навантаження. Це пояснються тим, що в обмотц ротора вна слдок перетинання магнтного поля виникають ще одна ЕРС струм, у результат взамод якого з полем ста тора створються обертаючий мо мент. Для з'ясування характеру залеж б ност п = f(М) (механчно характерис тики двигуна) роблять розкладання Рис. 3. пульсуючого магнтного потоку на а два обертов потоки. Нерухомим у простор магнтний потк, що змнються в час синусодально та екввалентний двом однаковим магнтним потокам, як незмнн за значенням, обертаються в рзн сторони з постйною кутовою час тотою та дорвнюють половин амплтудного значення нерухомого потоку (див. рис. 3.17,б).

У системах автоматики застосовуються однофазн двигуни ма ло потужност (клька одиниць десяткв ватв) з пдвищеним опо ром короткозамкнено обмотки ротора. - двигуни мають дв об мотки статора таку будову, як конденсаторн однофазн двигуни, але вдрзняються тим, що хня обмотка ротора ма значно бльший опр. На вдмну вд однофазного, ц двигуни мають таку власти всть, що при включенн лише одн обмотки статора ротор не може розгнатися самостйно навть у тому випадку, коли йому надана початкова швидксть.

Опр обмотки ротора пдбирають та ко величини, при якй критичне ковзання склада 1,5...2, у результат чого при однй включенй обмотц складов моментв M M мають вигляд, зображений пунктир ними нями на рис. 3.18. Результуючий момент М', що дорвню сум складових моментв, при будь-якй швидкост буде гальмвним.

Коли ж включен обидв обмотки, на приклад за схемою, зображеною на Рис. 3. рис. 3.19,а, двигун працю так само, як кон денсаторний, розвива рушйний момент.

а б Рис. 3. Перевагою зазначених двигунв те, що вони дозволяють регу лювати шляхом змни амплтуди або фази напруги на однй з обмо ток частоту обертання ротора в значному дапазон. На рис. 3.19,а показана одна з можливих схем включення, а на рис. 3.19,б - механч н характеристики такого двигуна. Обмотка збудження ОЗ через конденсатор С пдключена до мереж з напругою, обмотка керу U вання ОК через потенцометр R - до мереж з напругою. Напру U ги можуть бути однаковими. Регулювання частоти обертання здй снються змною напруги на обмотц ОК за допомогою потенцометра. Зупинимося коротко на двигунах з порожнистим рото ром (рис. 3.20). Вони можуть бути однофаз ними, двофазними трифазними.

Статор обмотка статора таких двигу нв виготовляються так само, як у трифаз них або однофазних двигунах, ротор же Рис. 3. явля собою порожнистий цилндр, виго товлений з латун, мд або алюмню розташований у зазор сердеч ника статора. Двигун складаться з корпусу 1, зовншнього 2 внут ршнього 3 сердечникв статора, мж якими розташован порожни стий ротор 4 та обмотки статора 5, пдшипникових щитв 6, вала 7 пдшипникв 8. Принцип д характеристики подбних двигунв ана логчн принципам д та характеристикам двигунв з короткозам кненим ротором. Головна хня вдмннсть - мала нерцйнсть рото ра, що дуже важливо в системах, як швидко реагують на сигнал, що вводиться.

3.10. Асинхронний тахогенератор Тахогенератор - електрична машина, що перетворю частоту обер тання в електричний сигнал. Залежнсть напруги на виход тахогене ратора вд частоти обертання називаться вихдною характеристикою.

В деальному випадку ця залежнсть пряма. Тахогенератори викори стовуються для вимру частоти обертання, вироблення прискорюю чих сповльнюючих сигналв, для операц диференцювання.

Тахогенератор сконструйовано так само, як однофазний асин хронний двигун з порожнистим немагнтним ротором (рис. 3.20 3.21).

У пазах статора вкладен дв змщен в простор на 90 обмотки: збу дження ОЗ (1) вихдна генераторна ОГ (2). Схема включення тахо генератора зображена на рис. 3.22.

Рис. 3.21 Рис. 3. Струм обмотки збудження, увмкнено до мереж змнного стру му з напругою, створю нерухомий у простор пульсуючий з ча Uз стотою мереж магнтний потк Фз. Цей потк пронизу тло порож нистого немагнтного ротора генераторну обмотку. При нерухо мому порожнистому ротор ЕРС у генераторнй обмотц не виника в силу того, що магнтний потк розташований перпендикулярно до ц обмотки. Струм, що виника в порожнистому ротор, створю магнтний потк, спрямований проти потоку збудження, зменшу його значення, але не змню його положення. Це вдбуваться тому, що через великий немагнтний зазор (два повтрян промжки стн ка немагнтного ротора) ндуктивний опр порожнистого ротора не великий струм у порожнистому ротор збгаться за фазою з ЕРС.

Коли ж порожнистий ротор обертаться, у результат перети нання магнтного потоку збудження в ньому виника ЕРС обер Фз тання. Напрямок для певного моменту часу вказаний на рис. 3. точками хрестиками. ЕРС обертання спричиня струм у порожни стому ротор, а струм створю магнтний потк Фг, який (див.

рис. 3.21) збгаться з вссю генераторно обмотки. У результат в генераторнй обмотц вд цього потоку виникають: ЕРС, пропор (e ;

струм, цйна коловй швидкост, тобто частот обертання = Blv) пропорцйний ЕРС, магнтний потк, пропорцйний струму (магнт на система не насичена). Таким чином, ЕРС, що виника в генератор нй обмотц, пропорцйна частот обертання порожнистого ротора тахогенератора.

3.11. Сельсини Асинхронн машини широко використовуються не тльки як двигуни, але як регулятори напруги, фазообертач, тахогенератори пристро синхронного зв'язку.

У силових електроприводах, системах керування електроприво дами, системах автоматики виника необхднсть погодженого по вороту на заданий кут двох чи деклькох валв механзмв або осей, не зв'язаних мж собою механчно.

У системах синхронного обертання тих або нших виробничих механзмв використовуються звичайн трифазн асинхронн двигу ни з фазним ротором.

У системах дистанцйно передач кутових перемщень можуть бути використан звичайн трифазн асинхронн двигуни з контакт ними кльцями мало потужност, або сельсини. Сельсини сконстру йован приблизно так само, як трифазн двигу ни (рис. 3.23). Статор 1 ма однофазну обмотку, що називаться обмоткою збудження 2, а ротор 3 - трифазну обмотку 4, названу обмоткою син хронзац, що ма таку саме будову, як асин хронний двигун з фазним ротором. Може бути й навпаки: ротор ма однофазну, а статор - три фазну обмотку. Так сельсини називаються од Рис. 3. нофазними.

Обмотки збудження можуть бути зосередженими або розпод леними. Сельсини бувають з контактними кльцями безконтактни ми. Контактн кльця щтки через хню невисоку надйнсть та ви никнення тертя мж ними знижують надйнсть точнсть системи регулювання, особливо в ндикаторному режим роботи. У систе мах синхронного обертання або дистанцйно передач кута беруть участь дв або бльше машин. Одна з них датчиком, що зада час тоту обертання або кут повороту, нш - приймачами. У системах синхронного обертання приймач повинн обертатися з швидкстю датчика, у системах ндикаторних - повертатися на той же кут, що датчики.

У системах дистанцйно передач кутових перемщень розрзня ють два режими роботи сельсинв: ндикаторний трансформатор ний. ндикаторний режим ма мсце в тих випадках, коли на валу сельсин-приймача вдсутнй гальмвний момент, наприклад на його валу вкрплена вказвна стрлка. Коли на валу сельсин-приймача значний момент, який вн не в змоз подолати, система виконуться так, що сельсин да тльки сигнал керування, а механзм приводить ся в дю вд окремого двигуна. Сельсин-приймач у цьому випадку керу двигуном механзму так, що двигун поверта механзм на кут, заданий сельсин-датчиком.

На рис. 3.23 зображений пристрй однофазного сельсина з явно вираженими полюсами з контактними кльцями, на рис. 3.24 - без контактного сельсина.

Рис. 3. Обмотка збудження 2 (див. рис. 3.23) контактного сельсина од нофазна нерухома, обмотка ротора 4 трифазна, з'днана зркою, три кнц обмотки припаян до контактних клець, установлених на ос ротора. Безконтактний сельсин (див. рис. 3.24) мстить так елемен ти: 1 - магнтопровд потоку збудження;

2 - немагнтний цилндр;

3 - сердечник статора;

4 - трифазна обмотка синхронзац;

5 - об мотка збудження;

6 - сердечник ротора;

7 - немагнтна прокладка.

Однофазна обмотка збудження 5 безконтактного сельсина та кож нерухома, але магнтний потк збудження, створений нею, по вертаться при поворот ротора. Трифазна обмотка ротора 4 безкон тактного сельсина, укладена в пазах статора, нерухома.

Принцип д сельсина з контактними кльцями (рис. 3.25) поля га в наступному: струм обмотки збудження, що пдключена до ме реж змнно напруги U, створю нерухомий у простор магнтний потк Фз, який пульсу з частотою мереж, пронизу трифазну обмот ку наводить у кожнй з фаз змнну ЕРС т ж частоти, що в обмотц збудження. Значення ЕРС обмотки кожно фази залежить вд взамного розташування трифазно обмотки вдносно магнтно го потоку Фз однофазно обмотки.

а б Рис. 3. Припустимо, трифазна обмотка розташована так, як це зобра жено на рис. 3.25,а. У цьому випадку обмотка фази АХ буде прони зуватися всм потоком збудження в нй виникне найбльша ЕРС.

Обмотки BY CZ (див. рис. 3.25,а,б) пронизуються меншим пото ком, в них виникне менша ЕРС, нж у фаз АХ. Якщо повернути ротор сельсина на кут, то змниться взамне розташування три фазно й однофазно обмоток , природно, змняться значення ЕРС, що наводяться в обмотках фаз. Наприклад, якщо повернути ротор на 90, то магнтний потк, зчеплений з обмоткою фази АХ, буде дорвнювати нулю ЕРС у нй виникати не буде. Якщо три обмотки розташован, як на рис. 3.25,а, то при поворот на кут вирази для ЕРС кожно фази будуть мати наступний вигляд:

eА = Em cos;

eB = Em cos( +120);

eC = Em cos( -120), де Em - амплтудне значення ЕРС, що виника у фаз обмотки АХ при = 0.

Таким чином, значення ЕРС фаз трифазно обмотки однофазно го сельсина залежать вд кута, у час ж вони збгаються за фазою.

Принцип д безконтактного сельсина нчим не вдрзняться вд контактного. Рзниця лише в тому, що в контактному сельсин повер таться ротор з трифазною обмоткою вдносно нерухомого потоку збудження, у безконтактному повертаться ротор з потоком збуджен ня вдносно нерухомо трифазно обмотки статора.

У трифазних сельсинах, де обмотка збудження трифазна пд ключена до трифазно мереж, д обертове магнтне поле з незмн ною амплтудою значення ЕРС у фазах синхронзуючо обмотки не залежать вд кута повороту, змнюються лише фази ЕРС у час.

Схема з'днання сельсин-датчика сельсин-приймача для дистанцйно передач кута повороту зображена на рис. 3.26. До повороту ротора сельсин датчика ЕРС у кожнй фаз трифазних об моток сельсин-датчика сельсин-прийма ча збгалися за фазою струм у хнх об Рис. 3. & мотках був вдсутнй:

- EАпм.

EАдат & При поворот датчика на кут дат у кожнй фаз з'явиться струм, тому що ЕРС фаз не збгаються за фазою, наприклад у фаз А ЕАдат - ЕАпм IA =.

Zдат - Zпм Струм взамод з магнтним потоком збудження вдповдного сельсина, у результат чого виника момент, що прагне повернути ротор сельсин-приймача на той же кут, на який повернутий датчик;

момент же, що д на ротор датчика, прагне повернути його у вихд не положення, коли дат = 0. Датчик утримуться зовншньою си лою в положенн дат, приймач повертаться на кут. Точнсть пм вдпрацьовування кута пм залежить вд моменту сил опору на валу приймача.

Якщо M = 0, то пм = дат ;

якщо M 0, то пм < дат. Трансфор маторний режим роботи сельсинв здйснються за схемою, зобра женою на рис. 3.27. У цьому режим роботи в однофазнй обмотц сельсин-приймача виника ЕРС, пропорцйна куту повороту сель син-датчика.

Коли кут повороту сельсин-датчика дат = 0, струми у фазах мають таке значення, що всь створюваного ними результуючого магнтного поля в сельсин-датчику, в сельсин-приймач збгаться з осями вдповдно ОЗД та ОЗП. У резуль тат в обмотц ОЗП сельсин-приймача ви ника найбльша ЕРС, рвна приблизно напруз обмотки ОЗД. При кут дат значення струмв у фазах обмоток будуть ншими, всь створюваного ними магнт ного поля не буде збгатися з вссю ОЗП в нй виникне ЕРС меншого значення, нж Рис. 3. при дат = 0. Коли дат = 90, всь резуль туючого магнтного поля буде перпендикулярна до ос обмотки ОЗП сельсин-приймача ЕРС у нй стане рвною нулю. У системах авто матичного керування зручнше, щоб при погодженому положенн роторв датчика приймача був нульовий сигнал. Для цього при погодженому положенн ос сельсинв розташован пд кутом 90 кут повороту ротора датчика дат вдраховуться вд цього поло ження. Напруга на виход сельсин-приймача в цьому випадку Uвих = Esinдат.

3.12. Кроков мкродвигуни У крокових мкродвигунах живлення обмоток статора може здй снюватися як однополярними, так рзнополярними прямокутними мпульсами напруги. Дан мкродвигуни можуть бути назван м пульсними. Вони широко застосовуються в приводах механзмв, у яких необхдно здйснювати старт-стоповий або безперервний рух, наприклад у стрчкопротяжних пристроях з метою введення виве дення нформац, приводах рзних верстатв з програмним керуван ням, чильниках т. д.

Розглянемо принцип роботи двигуна на приклад крокового м кродвигуна з постйними магнтами, що називаються також магн тоелектричними (рис. 3.28). Статор двигуна ма явновиражен по люси з обмотками збудження 1 2 (див. рис. 3.28,а). Обмотка збу дження може бути виконана дво-, чотири- багатополюсною. У роз глянутому двигун вона чотириполюсна. Ротор - постйний магнт.

При подач прямокутних мпульсв напруги задано послдовност на обмотки збудження змн в них струмв Iз1 та Iз2 (див. рис. 3.28,г) всь основного магнтного потоку стрибкоподбно повертаться на 90 (аЦв). Пд дю моменту, що виника в результат взамод маг нтних полв статора, створюваних обмоткою збудження ротора як постйного магнту, ротор повертаться також на 90, тобто на одну полюсну подлку. Розглянута схема переключення двох обмо ток збудження називаться схемою чотиритактно рзнополярно ко мутац. Якщо обмотки збудження створюють полярнсть полюсв, що чергуються вдповдно до рис. 3.28,аЦв, обертання ротора буде здйснюватися проти годинниково стрлки. Для зменшення кроку або полюсного подлу кроков мкродвигуни виконуються багато полюсними, причому число полюсв ротора дорвню числу полю св статора. Крок двигуна, тобто кут повороту ротора за один такт, може бути визначений як k =, kp де k - число тактв в одному цикл;

p - число пар полюсв.

аг б в Рис. 3. Частота обертання ротора, об/хв, з урахуванням частоти подач мпульсв 60 f n =, kp де f - частота подач мпульсв, Гц.

Приклад 3.1. Технчн дан асинхронного двигуна типу АТ51- наведен в табл. 3.1.

Двигун може бути виготовлено на кожну з указаних напруг.

Таблиця 3. При номнальному навантаженн Pном, nном, Струм статора Iном, А, Iпуск Mпуск Mmax Тип, при напруз Uном, В сos кВт об/хв % Mном Iном Mном 127 220 380 АО51-6 2,8 950 19,7 11,4 6,8 5,0 82,5 0,78 5,0 1,3 1, Визначити: синхронну швидксть n1 повну номнальну потуж нсть ;

номнальний, пусковий Мпуск максимальний Мmax Sном Мном моменти;

активну потужнсть P1ном, споживану з мереж при ном нальному навантаженн;

пусковий струм пуск при напруз U1 = 220 В.

Розв'язання. Синхронна швидксть двигуна n1 = 60 f / p = 6050/3 =1000 об/хв, де р - число пар полюсв.

Про синхронну швидксть можна робити висновок також з но мнально швидкост: якщо номнальна швидксть nном = 950 об/хв, то найближча синхронна швидксть n1 =1000 об/хв.

Номнальне ковзання коливаться в межах 1...6 %. У даному випадку sном = [(n1 - nном )/ n1]100 = [(1000 - 950)/1000]100 % = 5 %.

Момент на валу двигуна можна визначити за рвнянням P 60 P M = P / = = 9,55, 2n n де Р - потужнсть на валу;

- кутова швидксть обертання вала.

Тод Pном Мном = 9,55 = 9,55 = 28,1 Нм;

nном Мпуск = Mном(Mпуск /Mном )= 28,11,3 = 36,5 Нм;

Мmax = Mном (Mmax /Mном )= 28,11,8 = 50,6 Н м.

Потужнсть, споживана з мереж, P1ном = Pном / = 2,8/ 0,825 = 3,4 кВт.

Номнальний струм Iном = Pном ( 3U1 cos)= 2800 /(1,73220 0,780,825)=11,4 А.

Тод Iпуск = 57 А.

Приклад 3.2. Побудувати графк залежност обертаючого мо s = sкр менту двигуна вд ковзання (вд до ) для двигуна АО51-6, s = технчн дан якого наведен в табл. 3.1.

Розв'язання. При побудов графка залежност M = f (s) скори стамося наближеною залежнстю 2Мmax М =, sкр s + sкр s sкр де s - ковзання при заданому момент M;

- критичне ковзання, що вдповда максимальному моменту Mmax ;

Mmax Mmax (3.3) sкр = sном -1 = 0,05(1,8 1,82 -1)= 0,165.

Mном Mном При значеннях s < sкр (стйк режими) формула (3.3) да значен ня М, близьк до дйсного.

sкр При розв'язанн рвняння з двох можливих значень вибира мо бльше, тому що sкр > sном.

Потм у формулу (3.3) по черз пдставлямо ряд значень ков зання. Отриман результати зведен в табл. 3.2.

Таблиця 3. s 0 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15 0,165 0, M, Нм 0 15 28,1 38,2 45 48,8 50,37 50,6 50, За даними табл. 3.2 будумо графк залежност M = f(s) (рис. 3.29).

Як видно з побудови, в нтервал 0 s sном характеристику можна приблизно вважати прямолнйною, тобто швидксть двигуна зменшуться з зростанням моменту.

Приклад 3.3. Побудувати меха нчну характеристику двигуна АО51-6, технчн дан якого зведен в табл. 3.1 3.2, для навантажуваль ного режиму роботи, вважаючи ха рактеристику прямолнйною на н тервал.

0 s sном Рис. 3. Розв'язання. Перша точка харак теристики (рис. 3.30) ма координати:

Нм, Mном = 28,1 nном = 950 об/хв. Друга точка характеристики визначаться синхронною швидкстю обертання n1 =1000 об/хв лежить на ос ординат.

Проввши через ц дв точки пряму, одер жимо необхдну характеристику. У ре Рис. 3. жим роботи двигуном вд до М = М = Мном механчну характеристику можна практично вважати пря молнйною.

Приклад 3.4. Визначити ЕРС у фазах статора ротора асин хронного двигуна з контактними кльцями в ротор, а також часто ту ЕРС у ротор в двох випадках: ротор нерухомий в номнальному режим обертаться з ковзанням sном = 0,03 ;

максимальний магнт ний потк, що припада на полюс, Фm = 2,510-2 Вб. Кльксть вит кв та обмотков коефцнти статора ротора: w1 = 320;

w2 = 26;

k1 = 0,92;

k2 = 0,96. Частота мереж f = 50 Гц.

Розв'язання. ЕРС у фаз статора E1 = 4,44 f1w1k1Фm = 4,44 503200,92 2,510-2 =1630 В.

У нерухомому ротор частота струму дорвню частот мереж.

ЕРС у фаз нерухомого ротора E2ном = 4,44 f1w2k2Фm = 4,4450260,962,510-2 =138 В.

ЕРС у фаз ротора, що обертаться з ковзанням sном = 0,03, E2 = E2номsном =1380,03 = 4,14 В.

ЕРС, що виника в ротор на початку пуску двигуна, при ном нальному навантаженн зменшуться до 16 % вд E2ном.

Частота ЕРС ротора при номнальному навантаженн f2 = f1sном = = 500,03 =1,5 Гц (тльки при пуску частота ЕРС ротора дорвню 50 Гц, а в номнальному режим коливаться звичайно в межах 0,5...3 Гц).

Приклад 3.5. Знайти струм у фаз ротора асинхронного двигуна (див. приклад 3.4) у номнальному режим й у режим пуску, якщо активний опр фази ротора R2 = 0,2 Ом, ндуктивний опр нерухо мого ротора X2 =1 Ом.

Розв'язання. Струм у фаз ротора I2 знаходиться з виразу E2 E2s E I2 = = =.

Z2 s R2 +(sX )2 (R2 / s)2 + (X2 ) Цей вираз показу, що струм в обертовому ротор можна роз глядати як струм нерухомого ротора (Е2 - ЕРС нерухомого ротора), беручи повний опр його кола Z2 s = (R2 / s)2 + X2.

Струм у фаз ротора при номнальному режим (sном = 0,03) I2 = E2 / R2 + (sномX2 )2 = 4,14 / 0,22 + (0,031)2 = 20,3 А або I2 = E2 / (R2 / s)2 + (X2 )2 =138/ (0,22 /0,03) +1 = 20,3 А.

У режим пуску двигуна екввалентний опр кола ротора R2 / s збльшуться вд R2 до R2 / sном, що приводить до значного змен шення струму в ротор. Кратнсть пускового струму стосовно ном нального звичайно не перевищу 5Е9.

Приклад 3.6. Для двигуна з напругою 380 В, пусковим струмом 50,5 А та пусковим моментом 36,7 Нм при пуску його без додатко вого реостата знайти пусковий момент пусковий струм у раз зни ження напруги мереж на 20 %.

Розв'язання. Оскльки пусковий момент пропорцйний квадрату прикладено напруги, то його величина при зниженн напруги на 20 % визначиться з виразу Мпуск = (0,8Uл /Uл )2 Мпуск = 0,64 36,7 = 23,5 Нм.

Пусковий струм пропорцйний прикладенй напруз, отже Iпуск = 0,8Iпуск = 0,850,5 = 40,4 А.

Приклад 3.7. Ротор двигуна при номнальному навантаженн обертаться з швидкстю nном = 2970 об/хв, частота мереж f = 50 Гц, активний опр фази ротора R2 = 0,03 Ом.

Rд Визначити додатковий опр, який необхдно включити у фазу обмотки ротора, щоб при тих же значеннях електромагнтного мо менту частоти мереж швидксть двигуна n = 2400 об/хв.

Розв'язання. Ковзання при nном = 2970 об/хв sном = (n1 - nном )/ n1 = (3000 - 2970)/3000 = 0,01;

при n = 2400 об/хв s = (n1 - n)/ n1 = (3000 - 2400)/3000 = 0,2.

Щоб електромагнтний момент не змнювався при змн ковзан ня, необхдно залишити незмнним струм двигуна;

це, вдповдно до схеми замщення асинхронного двигуна, одержимо за умови R2 + Rд R2 + Rд R2 R = або =, sном s sном s звдки Rд = R2 (s / sном -1)= 0,33(0,2 /0,01-1)= 0,57 Ом.

Приклад 3.8. Номнальна потужнсть асинхронного двигуна Pном =100 кВт. При холостому ход потужнсть утрат двигуна кВт, а при короткому замиканн (проводиться при ном P0 = 5, нальному струм) - Pк = 5,55 кВт. Визначити ККД при номнально му режим.

Розв'язання. Коефцнт корисно д асинхронного двигуна мож на знайти, як для трансформатора, з дослдв холостого ходу та короткого замикання, при якому ротор двигуна загальмований.

При номнальному навантаженн Pном Pном ном = 100 % 100 % = Pном + Pм + Pс + Pк Pном + Pк + P Pк + P = 100 % = 90,3 %.

Pном + Pк + P K Hl Ш H l H 4.1. Будова Електричн машини постйного струму подляються за призна ченням на електричн генератори та електричн двигуни.

Будова машини постйного струму показана на рис. 4.1. Основ ними частинами машини станина 1, осердя полюсв 2, обмотка полюсв (обмотка збудження) 3, якр (осердя з обмоткою) 5, колек тор 9, пдшипников щити (переднй заднй), траверса з щткотри мачами та щтками, вал якоря 4, осердя додаткових полюсв 6, об мотка додаткових полюсв 7, обмотка якоря 8, осердя основних по люсв 11, лапи 12. На валу якоря закрплено вентилятор. Станина 1 - це литий або зварений цилндр, виготовлений з чавуну чи стал з високою магнтною провднстю. Вона магнтопроводом, а також основою для крплення полюсв, пдшипникових щитв, вивдних затискачв на клемному щитку.

Рис. 4. Осердя якоря ротора - це стальний цилндр, складений з окре мих штампованих листв електротехнчно стал, зольованих один вд одного для зменшення вихрових струмв. На поверхн якоря пази, в як вкладають обмотку.

Колектор 9 складаться з окремих пластин клиноподбно фор ми, виготовлених з мд. Вони зольован одна вд одно слюдою. До кожно колекторно пластини прикрплюють вдводи вд обмотки якоря. Осердя якоря з обмоткою колектором закрплюють на валу, золюючи х вд вала. Щтка 10 - це мдно-графтова прямокутна призма.

4.2. Принцип д Принцип д машини постйного струму розглянемо на прикла д генератора постйного струму.

Генератори постйного струму застосовуються як збудники син хронних генераторв, у зарядних пристроях, на автомоблях, вико ристовуються як зварювальн генератори.

Принцип д генератора постйного струму рунтуться на зако нах електромагнтно ндукц та електромагнтних сил.

У провднику, що рухаться в магнтному пол генератора, по стйний струм виникнути не може. Постйн ЕРС струм можуть створюватися тльки випрямленням змнно ЕРС, що виника в об мотц генератора змнного струму. До плас тин колектора приднують кнц витка. Щт ки на колектор встановлен нерухомо так, щоб вони при обертанн витка з пвкльцями переходили з одного пвкльця на друге, коли ндукована ЕРС у витку дорвню нулю.

Як видно з рис. 4.2, щтка А завжди в кон такт з тим пвкльцем, провд вд якого про ходить пд пвденним полюсом, а щтка В - з тим, провд якого проходить пд пвнчним Рис. 4. полюсом.

Тому в зовншньому кол струм проходить в одному напрямку - вд щтки А до щтки В. Графк випрямленого струму показано на рис. 4.3, де видно, що випрямлений струм пульсуючим. Для змен шення пульсац ЕРС струму на ротор збльшують кльксть виткв та вдповдно колекторних пластин, до яких приднують кнц вит кв. На рис. 4.3 показан крив змни ЕРС у рамц (а) та в зовншньо му кол (б). Пульсаця ЕРС значно зменшиться при двох рамках, розташованих у пазах якоря перпендику лярно одна до одно (див. рис. 4.3,в). У той час як в однй рамц ЕРС дорвню нулю, а в ншй ндукуться найбльша ЕРС. На щтках колектора мамо результуючу ЕРС, що дорвню сум ЕРС обох рамок.

б Щоб ще зменшити пульсацю ЕРС, у пази якоря вкладають не дв, а деклька десят кв змщених одна вд одно рамок на де в який кут, а колектор роблять з бльшим Рис. 4. числом пластин.

4.3. Електрорушйна сила Визначимо величину ЕРС якоря. При обертанн витка в магнт ному пол в ньому буде наведена ЕРС e = Blv, де B - магнтна ндук ця;

l - довжина якоря;

v - частота обертання якоря, об/хв. Якщо загальну кльксть провдникв якоря взьмемо N, а 2а - це число паралельних глок, то в однй паралельнй глц послдовно буде з'д нано N/2a провдникв.

ЕРС якоря генератора BlvN E =. (4.1) 2a Dn Частота обертання якоря v =, де D - даметр якоря. Якщо Dn 2 pn D = 2 p, то v = =, де 2p - число полюсв;

- полюсний 60 подл.

Пдставимо значення v у рвняння (4.1):

2 pn N E = Bl. (4.2) 60 2a Магнтний потк одного полюса, а магнтна ндукця Ф = Bl Ф B =. (4.3) l Пдставимо (4.3) в рвняння (4.2). Тод ЕРС якоря pn E = Фn = ceФn. (4.4) 60a Коефцнт ce - стала величина, яка залежить вд параметрв машини. Вн називаться коефцнтом ЕРС.

За формулою (4.4) можна визначити як ЕРС генератора, так ЕРС двигуна.

4.4. Електромагнтний момент машини Електромагнтна сила, яка д на провдник обмотки якоря, ви значаться спввдношенням BlIя Fпр =, 2a де Iя - струм якоря, А.

Електромагнтний момент, що д на провдник з струмом, D M = Fпр, а електромагнтний момент, який д на якр, D Iя D M = Fпр N = Bl N. (4.5) 2 2a Ф Псля замни в (4.5) магнтно ндукц за виразом B = Dl /2 p мамо p N M = ФIя = сMФIя, (4.6) a p N де cM = - коефцнт моменту, який залежить вд конструктив a них властивостей машини.

Як бачимо, електромагнтний момент прямо пропорцйний до бутку магнтного потоку на струм якоря. За формулою (4.6) можна визначити як момент генераторв, так момент двигунв.

Якщо момент виражений у Нм, то мж коефцнтами се сМ сну залежнсть ce / cM 0,105.

Електромагнтний потк, створений взамодю магнтного по току струму якоря та визначений за формулою (4.6), вдрзняться вд моменту на валу машини внаслдок тертя в пдшипниках оберто вого якоря о повтря вентиляцйних утрат. - два моменти вдрз няються незначно, тому будемо вважати, що вони дорвнюють один одному.

4.5. Режими роботи машин постйного струму Як було ранше сказано, машина постйного струму може пра цювати в режим генератора або двигуна.

Режим генератора Якщо машина працю в режим генератора (рис. 4.4), то до яко ря, який обертаться, приднують споживача (навантаження). Пд дю ЕРС виника струм. За другим законом Крхгофа визначамо напругу на затискачах:

U = E - Rяя, де Rя - активний опр кола якоря;

E ви значаться за формулою (4.4).

Якщо помножити обидв частини рвняння на струм якоря я, то отрима Рис. 4. мо баланс активних потужностей:

UIя = EIя - RяIя, де UIя = Ре - електрична потужнсть;

Ея = Рем - електромагнтна потужнсть;

RяIя = Ре - потужнсть електричних утрат.

Рвняння балансу потужностей генератора (без урахування потуж ност магнтних утрат потужност збудження) люструться енергетич ною даграмою (рис. 4.5).

При робот генератором маши на створю протидючий електрома Рис. 4. гнтний момент Mпрот, який повинен бути подоланий первинним двигуном.

Режим двигуна Розглянемо роботу електрично машини в режим двигуна постйного струму. Для цього необхдно на щтки машини подати напругу вд зовншнього джерела живлення (рис. 4.6).

На схем вказано напрямок струму Iя та напруги U. На провдник з струмом д елек тромагнтна сила, якр почне обертатись.

Струм якоря я та ЕРС мають протилежний напрямок. Напруга на затискачах двигуна Рис. 4. U = E + Rяя.

Оскльки на кожен провдник з струмом, що знаходиться в ма гнтному пол, завжди д електромагнтна сила, якр двигуна буде обертатися проти годинниково стрлки. При обертанн якоря в його обмотц наводиться ЕРС. Вдповдно до правила право руки знай демо, що в кожному провднику якоря струм ЕРС спрямован назу стрч одне одному. Тому ЕРС якоря двигуна звичайно називають проти-ЕРС. Таким чином, машина постйного струму, що працю в режим двигуна, створю проти-ЕРС. Напруга, що прикладена до затискачв обмотки якоря двигуна, дорвню сум проти-ЕРС спа ду напруги на внутршньому опор якоря.

Для змни напрямку обертання якоря двигуна (реверсування) не обхдно змнити напрямок струму в обмотц якоря або в обмотц збу дження. Переконамося в справедливост цього, застосувавши пра вило во руки. За аналогю з генератором рвняння балансу потуж ностей у кол якоря двигуна одержимо у вигляд. Це UIя = EIя + RяIя рвняння люструться енергетич ною даграмою (рис. 4.7).

Таким чином, машина по стйного струму може працюва ти як генератором, так двигу ном. При робот генератором ме ханчна енергя привдного дви Рис. 4. гуна перетворються в електричну енергю постйного струму, а при робот двигуном електрична енергя перетворються в механчну.

Отже, в електричнй машин постйного струму напрямок пере творення енерг може бути змнений на зворотний. Цю властивсть називають оборотнстю машини.

4.6. Реакця якоря При робот генераторв двигунв без навантаження (вхолосту) струм в обмотц якоря вдсутнй (або дуже малий) магнтне поле машини збуджуться тльки МРС обмотки збудження (рис. 4.8,а).

Поле виявляться симетричним вдносно ос головних полюсв. У секцях обмотки якоря, що знаходяться на геометричнй нейтрал ГН та замкнен щтками накоротко, ЕРС не ндукуться.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги, научные публикации