Основная классификация трансформаторов.

· По назначению: измерительные трансформаторы тока, напряжения, защитные, лабораторные, промежуточные.

· По способу установки: наружные, внутренние, шинные, опорные, стационарные, переносные.

· По числу ступеней: одноступенчатные, многоступенчатые (каскадные).

· По номинальному напряжения: низковольтные, высоковольтные.

· По типу изоляции обмоток: c сухой изоляцией, компаундной, бумажно-маслянной.

Основные типы трансформаторов

Силовые трансформаторы - наиболее распространенный тип электро. трансформаторов. Они предназначены для изменения энергии переменного тока в электросетях энергосистем, в сетях освещения или питания электрооборудования. Применяются для создания комплектных трансформаторных подстанций.
Классифицируются по количеству фаз и номинальному напряжения.
Наиболее известные низковольтные однофазные и трехфазные трансформаторы серии ТП и ОСМ.
Среди высоковольтных трансформаторов, наиболее используемые в данной момент в энергетике, трансформаторы ТМГ-с масляным охлаждением в герметичном баке.. Преимуществами данной серии вляется высокий КПД (до 99%), высокие показатели защиты от перегрева, высокие эксплуатационные характеристики, и минимальное обслуживание во время использования.
Помимо силовых, существуют трансформаторы различных типов и назначения: для измерения больших напряжений и токов (измерительные трансформаторы), для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное (пик-трансформаторы), для преобразования импульсов тока и напряжения (импульсные трансформаторы), для выделения переменной составляющей тока, для разделения электрических цепей на гальванически не связанные между собой части, для их согласования и т.д.

Измерительные трансформаторы - электротехнические устройства, предназначенные для изменения уровня напряжения с высокой точностью трансформации.
Классифицируются по назначению, изменению уровня напряжения или тока.
Также делятся на низковольтные трансформаторы тока типа Т, 066 ТШ-0,66, ТТИ-066 и Высоковольтные трансформаторы напряжения, такие как НАМИТ и ЗНОЛ.
Вторичные обмотки данных устройств соединены с измерительными устройствами (амперметрами, счетчиками электроэнергии, вольтметрами, фазометрами, реле тока и т.д.) Применение данного оборудования позволяет изолировать измеряющее оборудование от больших токов и напряжений измеряемой цепи, и создает возможность стандартизации измеряющего оборудования.

Автотрансформаторы – устройства, обмотки которого соеденены гальванически между собой. Благодыря малым коэффициентам трансформации, автотрансформаторы имеют меньшие габариты и стоимость оп сравнению с многообмоточными. Из недостатков необходимо отметить невозможность гальванической изоляции цепей.
Основные сферы использования автотрансформаторов – изменение напряжения в пусковых устройствах крупных электрических машин переменного тока, в системах релейной защиты при плавном регулировании напряжения. В случае реализации в конструкции автотрансформатора изменения количества рабочих витков вторичной обмотки, появляется возможность сохранять уровень вторичного напряжения при изменении первичного напряжения. Наибольшее распространение данный данный механизм используется в стабилизаторах напряжения.

Импульсный трансформатор - это устройство с ферромагнитным сердечником, используемый для изменения импульсов тока или напряжения.
Импульсные трансформаторы наиболее часто используются в электронновычислительных устройствах, системах радиолокации, импульсной радиосвязи и т.д. в качестве измерительного устройства в счетчиках электроэнергии.
Основное требование импульсным трансформаторам, - при изменении импульса форма импульса должна сохраняться. Это достигается максимальным уменьшением межвитковой емкости, индуктивности рассеивания за счет использования применением сердечников малой величины, взаимным расположение и уменьшением числа обмоток.

Пик-трансформатор - устройство, изменяющее напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Пик-трансформаторы применяются в качестве генераторов импульсов главным, высоковольтных исследовательских установках и системах автоматики…

Вопрос 3 Круговой огонь на колеекторе.

Отмечено, что искрение на коллекторе может быть вызвано также потенциальными причинами, причем оно может перерасти в круговой огонь.
Перекрытие мощной электрической дугой поверхности коллектора между щетками противоположной полярности или одним из щеткодержателей и корпусом называют круговым огнем. Круговой огонь всегда опасен, так как приводит к серьезным повреждениям электрической машины. Возникновение кругового огня сопровождается сильным световым и звуковым эффектом, в крупных машинах это похоже на взрыв бомбы.
Причиной возникновения кругового огня является чрезмерно высокое напряжение между смежными коллекторными пластинами, которые могут оказаться замкнутыми через «мостик», образуемый угольной пылью или более крупными осколками щетки. По «мостику» проходит ток, происходит его сгорание и возникает короткая дуга, что равноценно замыканию части машины, состоящей из одной секции, на малое сопротивление. Увеличивающийся ток дуги вызывает оплавление коллекторных пластин, а сама дуга, развиваясь, замыкает и соседние пластины.
Если же напряжение между смежными коллекторными пластинами не превышает 33—34 В, то даже при выгорании проводящего «мостика» круговой огонь не возникает. Нельзя, как это часто допускают, объяснить возможность возникновения кругового огня повышенной ионизацией коллекторной камеры от сильного искрения.
Схема очень быстротечного (0,01—0,001 с) процесса перерастания единичной вспышки в круговой огонь показана на рис. 1, где 1 — первичная дуга, 2 — газы и пары меди, 1 — мощная дуга. Такая быстротечность приводит к тому, что не удается создать от него какую-либо защиту.

Ток в дуге, возникшей из- за наличия проводящего «мостика» между пластинами а и b, быстро увеличивается и пространство над коллектором ионизируется, т. е. заполняется парами раскаленной меди.
Коллектор вращается, дуга перекрывает несколько пластин, ток возрастает. Дальнейшее развитие процесса носит случайный характер. Процесс на рис. 1 снят при скорости 4000 кадров в секунду.
Очевидно, чем тоньше межламельная изоляция и чем меньше размеры коллекторного деления, тем меньшее напряжение между коллекторными пластинами может быть допущено. Критерием здесь служит значение напряжения на единицу длины окружности коллектора
emах = uк max/bк <8--9 В/мм
Искрение под щетками способствует возникновению кругового огня, так как при этом происходит интенсивный износ щетки, появляется вероятность образования «мостиков». Но само по себе искрение с вытягиванием, как считалось долгое время, дуги из-под щетки не приводит к круговому огню. Так, когда у тягового двигателя на стенде отключили обмотку добавочных полюсов, возникшее при этом весьма сильное и достаточно продолжительное искрение не привело к круговому огню. Однако в другом случае на мощном генераторе, работающем в режиме холостого хода со снятыми щетками, круговой огонь возникал при достаточно высоком напряжении между коллекторными пластинами, когда между последними осколком щетки создавали «мостик» или вспомогательным электродом искусственно зажигали короткую дугу.
Итак, для уменьшения вероятности появления круговых огней необходимо устанавливать оптимальное межламельное напряжение и улучшать состояние узла щетка-коллектор.
Важно содержать в чистоте поверхность коллектора, миканитовых манжет, систематически чистить канавки между коллекторными пластинами и щеткодержатели, удалять с поверхности коллектора следы поджогов, заусенцы, своевременно менять изношенные и сколотые щетки, поддерживать нормальное давление нажимных пальцев. Склонность тяговых двигателей к круговым огням повышается при неудовлетворительной динамике щеток, особенно при прохождении колесной парой стыков на путях. Желательно иметь наиболее эластичное нажимное устройство, прижимающее щетки к коллектору.

 

 

 

Билет 9

Вопрос 1 Определение трансформаторов. Классификация, применение, особенности конструкции

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат с двумя (или больше) обмотками, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

В зависимости от назначения различают силовые трансформаторы, измерительные трансформаторы напряжения и трансформаторы тока

Силовые трансформаторы преобразуют переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения для питания электроэнергией потребителей. В зависимости от назначения они могут быть повышающими или понижающими. В распределительных сетях применяют, как правило, трехфазные двухобмоточные понижающие трансформаторы, преобразующие напряжение 6 и 10 кВ в напряжение 0,4 кВ

 

Измерительные трансформаторы напряжения – это промежуточные трансформаторы, через которые включаются измерительные приборы при высоких напряжениях. Благодаря этому измерительные приборы оказываются изолированными от сети, что делает возможным применение стандартных приборов (с переградуированием их шкалы) и тем самым расширяет пределы измеряемых напряжений.

Трансформаторы напряжения используются как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализаций и релейной защиты линий электропередачи от замыкания на землю.
В ряде случаев трансформаторы напряжения могут быть использованы как маломощные понижающие силовые трансформаторы или как повышающие испытательные трансформаторы (для испытания изоляции электрических аппаратов).

Трансформатор тока представляет собой вспомогательный аппарат, в котором вторичный ток практически пропорционален первичному току и предназначенный для включения измерительных приборов и реле в электрические цепи переменного тока.
Трансформаторы тока служат для преобразования тока любого значения и напряжения в ток, удобный для измерения стандартными приборами (5 А), питания токовых обмоток реле, отключающих устройств, а также для изолирования приборов и обслуживающего их персонала от высокого напряжения.

Вопрос 2 Рабочие характеристики АД

Рабочими характеристиками называют графические зависимости частоты вращения п2 (или скольжения s),момента на валу М2, тока статора I1, коэффициента полезного действия η и cos φ1 от полезной мощности Р2 при U1 = const и f1 = const. Их определяют экспериментально или путем расчета по схеме замещения или круговой диаграмме.

Примерный вид рабочих характеристик асинхронного двигателя показан на рис. 4.25. Частота вращения, ток статора, момент на валу, потребляемая и полезная мощности приведены на графике в относительных единицах. Рабочие характеристики строят только для зоны практически устойчивой работы двигателя, т. е. до скольжения (1,1 ÷ l,2)sном.

Частота вращения ротора. При переходе от режима холостото хода к режиму полной нагрузки частота вращения n2 изменяется незначительно, так как при проектировании двигателей для уменьшения потерь мощности в роторе ΔРэл2 необходимо, чтобы скольжение при номинальном режиме не превышало 0,02—0,06. Следовательно, скоростная характеристика асинхронного двигателя является «жесткой».

Вопрос 3 Искрение на коллекторе. Способы улучшения коммутации

С практической точки зрения важно, чтобы коммутация происходила без значительного искрения у контактных поверхностей щеток, так как сильное искрение портит поверхность коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной.

Причины искрения на щетках можно подразделить на механические и электромагнитные.

Механические причины искрения большей частью связаны нарушением контакта между щеткой и коллектором. Такие нарушения вызываются: 1) неровностью поверхности коллектора, 2) плохой шлифовкой щеток к коллектору, 3) боем коллектора, если он превышает 0,2 – 0,3 мм, 4) выступанием отдельных коллекторных пластин, 5) выступанием слюды между коллекторными пластинами, 6) заеданием щеток в щеткодержателях (тугая посадка), 7) вибрацией щеток (нежесткость токосъемного аппарата, плохая балансировка машины, слишком свободное расположение щеток в щеткодержателях с зазорами более 0,2 – 0,3 мм, слишком большое расстояние между обоймой щеткодержателя и коллектором – более 2 – 3 мм и так далее). Искрение может быть вызвано также неравномерным натягом щеточных пружин, несимметричной разбивкой щеточных пальцев и щеток по окружности и другими причинами механического характера.

Электромагнитные причины искрения на щетках связаны с характером протекания электромагнитных процессов в коммутируемых секциях. Обеспечение достаточно благоприятного протекания этих процессов является важной задачей при создании машин постоянного тока, в особенности крупных.

Способы улучшения коммутации:

1. уменьшение реактивной э.д.с.:

· за счёт уменьшения индуктивности секции; для этого уменьшают число витков (делают одновитковыми);

· пазы якоря делают открытыми и не очень глубокими (не более 4,5-5,5 мм),

· одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое паза, а другую – в нижнем;

· уменьшают ширину щётки (в тяговых двигателях и генераторах щётка перекрывает 3,5-4,5 коллекторных пластины);

· в крупных машинах уменьшают длину, окружную скорость и суммарный ток проводников в пазах якоря, увеличивают диаметр якоря(поэтому машины постоянного тока имеют примерно на 20-25% меньшую мощность, чем машины переменного тока при тех же габаритных размерах и частоте вращения).

2. компенсацией реактивной э.д.с. и э.д.с. вращения от потока якоря:

· при изменении нагрузки машины от холостого хода до несколько большей её номинальной применяют добавочные полюсы между главными полюсами (для создания дополнительного внешнего коммутирующего магнитного поля);магнитный поток направлен против потока якоря в коммутационной зоне и компенсирует его; коммутирующая э.д.с. должна быть примерно равна реактивной э.д.с. (не более 0,8-1,0 В);

· для увеличения предельной нагрузки поперечное сечение сердечников добавочных полюсов увеличивают и устанавливают значительно большие воздушные зазоры под главными полюсами;

· обмотку добавочного полюса размещают ближе к якорю;

· в воздушный зазор между остовом и торцами сердечников добавочных полюсов устанавливают немагнитные прокладки для обеспечения без искровой работы щеток и замедления магнитного насыщения сердечников;

· путём смещения щеток с геометрической нейтрали на физическую. Этот способ не дает автоматической настройки при изменении нагрузки, как применение добавочных полюсов.

3. уменьшение тока коммутации iк путем увеличения сопротивления цепи коммутирующей секции:

· переход от медных щёток к электрографитированным (с достаточно высоким активным сопротивлением: слишком высокое сопротивление приведет к увеличению потерь и нагреву щеток, что может ухудшить коммутацию);

·применение разрезных щёток.

 

Билет 10

Вопрос 1 Принцип действия трансформаторов

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

 

Вопрос 2 Круговая диаграмма АД. Определение рабочих характеристик по круговой диаграмме

Характеристики n2 = f(P2) и n2 = f(М) можно построить по круговой диаграмме. Для этого задаются рядом точек на окружности токов и находят соответствующие им значения полезной мощности, электромагнитного момента и скольжения. При расчетах, не требующих большой точности, полезную мощность Р2 принимают равной Рмех (пренебрегая потерями мощности ΔРт), т. е. считают, что она пропорциональна отрезку AM круговой диаграммы (см. рис. 4.17). Более точно ее определяют путем построения на круговой диаграмме специальной линии полезной мощности О"К (см. рис. 4.18,6), которую получают, соединяя точку О" реального холостого хода с точкой К (в режимах, соответствующих точкам О и К, мощность Р2 = 0). В этом случае величина Р2 пропорциональна отрезку AM, заключенному между окружностью токов и линией 0"К.

Электромагнитный момент пропорционален отрезку AE круговой диаграммы (см. рис. 4.17). Чтобы определить максимальный момент (рис. 4.26, а), через точку Ам проводят касательную к окружности токов параллельно линии ОТ и из этой точки опускают перпендикуляр на диаметр окружности токов. Максимальный момент пропорционален отрезку Aм Eм, где Ем - точка пересечения перпендикуляра с прямой ОТ.

Рис. 4.26. Круговая диаграмма со шкалами скольжения (а) и cos φ (б)

Скольжение s = ΔРэл2 /Рэм можно найти по круговой диаграмме как отношение отрезков FE/AE. Однако поскольку измерение малого отрезка FE может дать существенную погрешность, для определения s надо построить шкалу скольжения (рис. 4.26, а). Для этого на произвольном расстоянии от линии O'G проводят прямую, параллельную линии ОТ, до пересечения ее с линией ОК (или с ее продолжением) и получают точку N. Затем из точки О восставляют перпендикуляр к диаметру окружности до пересечения с построенной прямой и находят точку Р. Линия ОА (вектор тока - Í'2) пересекается с прямой PN в точке Q. Из подобия полученных при таком построении треугольников (ΔOFE ~ ΔOPN и ΔOAF ~ ΔOPQ) имеем

FE/OP = OE/PN; OP/AE = PQ/OE.

Перемножая эти отношения, находим

FE/AE = PQ/PN = s.

Следовательно, линия PN представляет собой шкалу скольжения, на которой отрезок PQ, отсекаемый линией ОА (вектором — Í'2), позволяет получить скольжение s. Зная скольжение s, по формуле n2 = n1 (I — s) можно определить частоту вращения ротора.

Вращающий момент на валу двигателя. Зависимость между моментом М2 и полезной мощностью Р2 определяется соотношением

Р2 = М2 ω2,

где ω2 — угловая скорость ротора.

+Поскольку n2 изменяется мало, эта зависимость близка к линейной. Чтобы определить момент М2 на валу двигателя, по круговой диаграмме находят электромагнитный момент М, а затем из него вычитают момент, обусловленный трением в двигателе, — Мт = ΔРт /ω2:

М2 = М - Мт.

 

Первичная мощность. Как видно из (4.58), при заданном напряжении U_x первичная мощность пропорциональна активной составляющей тока. Поэтому на круговой диаграмме мощность P_s для произвольного значения тока I, будет пропорциональна длине перпендикуляра Fd, опущенного из конца вектора I, на ось абсцисс (рис. 4.15). Таким образом, отрезок Fd, измеренный в масштабе тока /и, и умноженный на 0,5 mU_s, дает мощность

Линия ON, до которой берутся отрезки Fd, называется линией подводимой мощности.

Рис. 4.15. К определению потерь и мощностей из круговой диаграммы

Механическая мощность. Опустим перпендикуляр Fc на линию диаметра Og. Из рис. 4.16 следует

Рис. 4.16. К определению скольжения по круговой диаграмме

Выражение (4.59) представляет мощность, определяемую током I_s, a |Zi(.v)| - модуль сопротивления для этого тока. Далее, в соответствии с рис. 4.16 для тангенсов углов [3i(.v = 1), р₂(±⁰⁰) и p(.v = л>) согласно (4.57) можно записать

откуда видно, что отрезки Ьс, ас, Fa пропорциональны сопротивлениям R], Ri + Ri и #2(1 - s)/s. Поэтому, представляя исходное выражение (4.59) как

получаем

Таким образом, для определения механической мощности достаточно на диаграмме опустить перпендикуляр Fc на линию диаметра Og, найти отрезок Fa, измеренный в масштабе тока т„ и умножить сто на —U.. Линия О А, до которой определяются отрезки 2

перпендикуляра, называется линией механической мощности.

Электромагнитная мощность. Значение электромагнитной мощности получим, представляя исходное выражение для (5.59) в следующем виде:

откуда с учетом пропорциональности отрезков соответствующим сопротивлениям запишем

Итак, для определения электромагнитной мощности следует

измерить отрезок Fb в масштабе тока и умножить его на —U_s. Ли-

2

ния OG, до которой измеряются отрезки перпендикуляра, называется линией электромагнитной мощности. Она также называется линией электромагнитного момента, что становится понятным, если учесть, что связь между указанными величинами определяется механической скоростью бегущего поля coi Ip.

Коэффициент мощности найдется либо непосредственным измерением угла, либо с помонц>ю простого графического построения, приведенного на рис. 4.17.

Скольжение. На основании энергетической диаграммы скольжение s определим через отношение потерь в обмотке ротора к электромагнитной мощности. Если обратиться к круговой диаграмме, то для точки F скольжение найдется из отношения отрезков s = ab/bF=p,JPj_M. Однако гораздо удобнее использовать графическое построение, приведенное на рис. 4.17. Любую точку Т круговой диаграммы соединяют с точкой G (s = ±°°), параллельно TG проводят шкату скольжений. Точка Т пересечения шкалы скольжений с прямой ОТ соответствует л- = 0, точка Т₂ пересечения шкалы скольжений с прямой TG соответствует скольжению s = I. Точка 7з пересечения шкалы с прямой FT дает искомое скольжение для точки F.

Доказательство вытекает из подобия треугольников FbO и 7Т|Г₃, откуда следует, что

Коэффициент полезного действия. Значение КПД г|, как говорилось выше, найдется из круговой диаграммы без учета механических и добавочных потерь. Для точки F он будет равен отношению механической мощности к подводимой:

Здесь полезно привести следующее выражение для КПД. Если пренебречь потерями мощности от тока намагничивания До, то его значение будет равно

Для малых значений скольжения, которые соответствуют режиму, близкому к номинальному, слагаемое sR/R₂ « 1, поэтому можно записать

Из приведенного выражения следует, что с ростом скольжения КПД уменьшается. Именно это обстоятельство и объясняет, почему асинхронные машины выполняются с малым значением скольжения, для номинального режима оно не превышает величины (л’ц» 0,03...0,04), при этом значение критического скольжения составляет s_m = 0,12...0,15.

Возвращаясь к круговой диаграмме КПД, для точки F запишем

где ас = R + R₂ ab = R₂ ТТт, = S(F).

Круговая диаграмма позволяет, не прибегая к трудоемким вычислениям, быстро найти все основные величины, характеризующие работу асинхронной машины. Но основная ее ценность в другом - она ддет возможность наглядно увидеть связь параметров машины с ее рабочими характеристиками, техническим залднием на проектирование.