Трансформаторы

Электрические машины постоянного тока представляют собой со­четание машин переменного тока с механическим выпрямителем — коллектором, являющимся неотъемлемой частью этих машин. С по­мощью коллектора переменный ток преобразуется в постоянный.

Электрические машины постоянного тока имеют ограничен­ную область применения вследствие более высокой стоимости этих машин и сложности их эксплуатации, по сравнению с машинами переменного тока.

2.2.  Трансформаторы

Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования напряжения переменного тока одной величины в напряжение переменного тока другой величины.

Простейший трансформатор (рис. 2.1) состоит из замкнутого сердечника, набранного из отдельных, изолированных друг от друга листов трансформаторной стали. На сердечнике размещаются об­мотки. Обмотка, которая подключается к источнику переменного тока, называется первичной. Обмотка, к которой присоединяют нагрузку, называется вторичной.

Переменный ток, протекая по первичной обмотке, создает в сердечнике магнитный поток Ф. Он пронизывает все обмотки од­новременно и в каждой из них индуктирует перемеренную ЭДС, величина которой пропорциональна числу витков в обмотке. Чем больше витков, тем больше ЭДС:

(2.1)

где Et — ЭДС первичной обмотки (ЭДС самоиндукции); Е2 — ЭДС вторичной обмотки (ЭДС взаимоиндукции); со, и со2 — число вит­ков в первичной и вторичной обмотках.

Пренебрегая падением напряжения внутри обмоток, можно считать, что при отключенной нагрузке (холостом ходе) индукти­руемые ЭДС в обмотках равны напряжениям, действующим на первичной и вторичной обмотках:

тогда

(2.2)

где Ul и U2 — напряжения на первичной и вторичной обмотках.

Следовательно, напряжение на вторичной обмотке тем боль­ше, чем больше она имеет число витков. Отношение напряжения на зажимах первичной обмотки к напряжению на вторичной об­мотке называется

коэффициентом трансформации А:

(2.3)

Трансформатор называется понижающим, если напряжение на вторичной обмотке меньше, чем напряжение на первичной об­мотке (К > 1).

Трансформатор называется повышающим, если напряжение на вторичной обмотке больше, чем напряжение на первичной об­мотке (К < 1).

При подключении потребителя по вторичной обмотке потечет ток /2, который создаст магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку первичной обмотки. Поток первичной обмот­ки уменьшится, это вызовет уменьшение в ней ЭДС самоиндук­ции Е, в результате чего в первичной обмотке увеличится ток Tj. Это будет происходить до тех пор, пока магнитный поток первич­ной обмотки трансформатора не станет прежним.

Таким образом, с увеличением силы тока вторичной обмотки растет сила тока первичной обмотки, а при уменьшении силы тока во вторичной обмотке сила тока первичной обмотки уменьшается.

Если не учитывать потери в обмотках трансформатора, то мож­но считать мощности первичной и вторичной обмоток одинако­выми:

следовательно,

(2.4)

Это означает, что в повышающем трансформаторе увеличение напряжения во вторичной обмотке происходит за счет уменьше­ния силы тока в ней, а в понижающем трансформаторе уменьше­ние напряжения происходит за счет увеличения силы тока вторич­ной обмотки.

Коэффициент полезного действия трансформатора велик и на­ходится в пределах 80—99 %. Иногда вместо трансформаторов при­меняются автотрансформаторы. Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого источник переменного тока и потребитель подключаются к разным точкам одной обмотки (рис.

2.1,  б). Работает автотрансформатор так же, как и обычный транс­форматор.

В условиях строительства трансформаторы применяются: для передачи электроэнергии; сварочных работ; питания электроин­струментов; электропрогрева бетона и грунта; измерительных целей.

2.3.  Асинхронные двигатели

Асинхронным двигателем называется машина, преобразующая электрическую энергию переменного тока в механическую, у ко­торой скорость вращения ротора зависит от нагрузки. Асинхрон­ные двигатели бывают трехфазные, двухфазные и однофазные и состоят из двух основных частей: статора и ротора.

Статор — неподвижная часть двигателя (рис. 2.2, а). С внутрен­ней его стороны сделаны пазы, в которые укладываются фазные обмотки.

У трехфазного асинхронного двигателя три обмотки. Они вы­полнены одинаково и размещаются под углом 120°. По обмоткам протекает трехфазный ток, который создает магнитное поле, вра­щающееся с частотой

(2.5)

где п — частота вращения, мин *;/— частота переменного тока, Гц; р — число пар полюсов.

Ротор — вращающаяся часть двигателя. Он может быть корот­козамкнутым и фазным. В двигателях с короткозамкнутым ротором обмотка выполнена в виде медных или литых алюминиевых стерж­ней, замкнутых по торцам между собой (рис. 2.2, б, в).

В двигателях с фазным ротором последний имеет фазные об­мотки (рис. 2.3, а, б). Они выполняются по типу обмоток статора и имеют такое же число фаз. Обмотки соединяются в «звезду», т. е. концы их соединены в одну точку, а начала подсоединяются к медным кольцам, закрепленным на валу. У таких двигателей есть приспособление, дающее возможность либо включать роторную обмотку последовательно с реостатом во время пуска, либо замы­кать ее накоротко во время работы.

Для уменьшения потерь на вихревые токи статоры и роторы асинхронных двигателей набираются из отдельных, изолирован­ных друг от друга, листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм.

Если подключить статорные обмотки двигателя к сети трехфаз­ного переменного тока, то внутри статора возникает вращающее­ся магнитное поле. Это поле пересекает одновременно обмотки статора и ротора. В статорных обмотках индуктируются противо — электродвижущие силы, определяющие величину сил токов об­мотки.

В роторных обмотках индуктируется ЭДС, под действием кото­рой в обмотках протекают токи, которые, взаимодействуя с вра­щающимся магнитным полем статора, создают вращающий мо­мент, в результате которого ротор начинает вращаться в сторону вращения поля статора.

Если предположить, что ротор вращается с такой же скорос­тью, с какой вращается магнитное поле, то токи в обмотках рото­ра исчезнут. Исчезновение токов приведет к тому, что ротор нач­нет вращаться медленнее, чем поле статора. При этом поле статора начнет пересекать обмотки ротора и на него вновь будет воздей­ствовать вращающий момент.

Следовательно, ротор при своем вращении всегда должен иметь частоту вращения меньшую, чем частота вращения поля статора. Отсюда двигатель получил название асинхронного (неодновремен­ного). Разница между частотой вращения поля статора гг и часто­той вращения ротора л, характеризуется величиной s, называемой скольжением:

(2.6)

Для асинхронного двигателя скольжение изменяется от едини­цы до величины, близкой к нулю.

Во время пуска двигателя, когда ротор еще неподвижен (s = 1), частота пересечения обмоток ротора вращающимся магнитным по­лем наибольшая. В обмотках ротора индуктируются наибольшие ЭДС, которые вызывают большую сила тока. Токи обмоток ротора создают свое вращающееся магнитное поле, направленное навстречу враща­ющемуся магнитному полю статора, и уменьшают его. В результате уменьшается противоэлектродвижущая сила, а токи в обмотках ста­тора растут. Пусковой ток превышает номинальный в 4—7 раз.

Частота вращения ротора двигателей с короткозамкнутым ро­тором, рассчитанная по формуле (2.5), регулируется либо пере­ключением числа пар полюсов, либо изменением величины под­водимого напряжения.