1 Преимуществами переменного тока являются- возможность трансформации и передачи на далекие расстояния

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Билет 1. 1. Преимуществами переменного тока являются: возможность трансформации и передачи на далекие расстояния, более простое устройство генераторов переменного тока, более простые в устройстве и надежные в эксплуатации электродвигатели переменного   тока   и т. д.

Простейший генератор синусоидальной (син.) ЭДС представляет собой проводник в виде прямоугольной рамки.

 По закону ЭМИ в контуре индуцируется ЭДС E=-dФ/dt, где Ф-поток через рамку. Если рамку вращать, в каждом проводнике Е→e=BlVn, где В-магнитная индукция, l-длина проводника, Vn-скорость магнитных линий.

Каждая син. Функция определяется параметрами: 1)амплитуда Um, ЭДС Em, Im; 2) ω – угловая частота [рад/с]; 3) начальная фаза ψ [рад] – значение аргумента функции в точке t=0.

2. Принцип действия и конструкция однофазного и трехфазного тр-ра.

Трансформатором называют статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Основными элементами любого трансформатора являются стальной магнитопровод 1 и обмотки 2 и 3 (рис. 7.1а). Магнитопровод служит для размещения на нем обмоток и усиления индуктивной связи между обмотками. Поскольку магнитная проницаемость магнитопровода в сотни раз превышает магнитную проницаемость воздуха, томагнитный поток, создаваемый токами в обмотках трансформатора, будет замыкаться в основном по магнитопро-воду, что позволяет увеличить магнитный поток при прочих равных условиях и, следовательно, усилить индуктивную связь обмоток.

В зависимости от количества N обмоток трансформаторы бывают двухобмоточными (N = 2), трехобмоточными (N = 3) и многообмоточными (N > 3).

Первичной обмоткой трансформатора называют обмотку, к которой подводят электрическую энергию, а вторичной — обмотку, к которой подключают приемник электрической энергии. Величины, относящиеся к первичной или вторичной обмоткам, отмечают индексами 1 или 2 соответственно.

Обмотку, рассчитанную на более высокое напряжение, называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а рассчитанную на более низкое напряжение — обмоткой низшего напряжения (НН). Выводы обмотки ВН однофазного трансформатора обозначают прописными латинскими буквами А и X, а обмотки НН — строчными латинскими буквами а и х.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Так, если к первичной обмотке подвести переменное напряжение их, то в ней появится переменный ток i1. Ток i1 создает переменную магнитодвижущую силу (МДС) i1ω1, которая, в свою очередь, создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся в основном по стальному магнитопроводу. Этот магнитный поток называют основным магнитным потоком. Основной магнитный поток сцепляется со всеми витками как первичной, так и вторичной обмоток трансформатора и, согласно закону электромагнитной индукции, индуцирует в них переменные ЭДС е1 и е2 соответственно. Если теперь к зажимам вторичной обмотки подключить приемник электроэнергии, то под действием ЭДС е2 в приемнике возникнет переменный ток i2.

Магнитная система трехфазных трансформаторов имеет два конструктивных исполнения. На рис. 7.26а изображен трехфазный трансформатор, состоящий из трех однофазных. Такой трансформатор называют трехфазным групповым. Каждая из трех фаз имеет самостоятельный магнитопровод, поэтому электрл магнитные процессы в каждой фаз протекают самостоятельно и вся изложенная ранее теория и полученные уравнения напряяД ний, МДС и токов для однофаа. ного трансформатора справедли. вы и здесь (для каждой фазы в отдельности).

Трехстержневой трансфоматор (рис. 7.266) имеет связанную магнитную систему. Первичная и вторичные обмотки каждой фазы располагают на одном стержне. При симметричной трехфазной системе первичного напряжения система фазных магнитных потоков также симметрична (рис. 7.27). Следовательно, в любой момент времени направление фазных магнитных потоков в стержнях таково, что их сумма равна нулю.

Магнитная система трехстержневого трансформатора в пространственном отношении несимметрична. Магнитный поток фазы В, расположенной на среднем стержне, замыкается через два крайних стержня, т. е. по двум параллельным кратчайшим путям. Магнитный поток фазы А (или С), расположенной на крайнем стержне, замыкается также по двум параллельным путям (через средний и другой крайний стержни). Но путь замыкания через крайний стержень длиннее, чем через средний, я поэтому общее магнитное сопротивление для потока крайней фазы больше, чем для потока средней фазы. Поэтому для создания симметричной системы фазных потоков требуются разные МДС фаз I0ω1: для средней фазы, имеющей меньшее магнитное сопротивление, требуемая МДС меньшая, чем для крайних фаз. Следствием этого является несимметричная система токов холостого хода, при которой ток IОВ меньше, чем токи IОА и IОС.

3. Конструкция АД. Схема замещения АД.

Асинхронная машина — это бесколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном  процессе преобразования энергии, и ротор вращаются с разными скоростями.

Основными частями асинхронной машины являются статор — неподвижная часть и ротор — вращающаяся часть.

Сердечник статора является неподвижной частью магнитопровода и представляет собой полый цилиндр, набранный из стальных пластин, имеющих вид кольца и изолированных друг от друга. Стальной сердечник магнитопровода статора закрепляют в стальном или алюминиевом корпусе, охватывающем его со всех сторон. К боковым сторонам корпуса крепят подшипниковые щиты. При штамповке стальных пластин на внутренней их стороне делают выступы различной формы. В результате при сборке на внутренней поверхности цилиндра статора получаются пазы, направленные вдоль образующей цилиндра. В пазы закладывают обмотку статора, которая у трехфазного асинхронного двигателя состоит из трех фазных обмоток, смещенных в пространстве друг относительно друга в общем случае на угол 120°/р, где р — количество пар полюсов результирующего магнитного поля. Начала и концы фазных обмоток выводят наружу, они могут быть присоединены к зажимам специального щитка. Выводы обмоток охватывают алюминиевыми хомутиками, на которых обозначены буквы и цифры, принятые для обозначения выводов. На щитке двигателя выводы обмоток располагают так, как показано на рис. 12.2.  Это позволяет легко и удобно с помощью коротких плоских пластин соединять обмотки статора звездой (рис. 12.2 а) или треугольником (рис. 12.2 б). На паспортной пластинке, укрепленной на корпусе, указывают два номинальных линейных напряжения, различающихся в  раза. Меньшее значение указанного напряжения является номинальным напряжением, на которое рассчитаны фазные обмотки статора. Способ соединения обмоток зависит от линейного напряжения в трехфазной сети. Если линейное напряжение источника питания равно наибольшему напряжению, указанному в паспорте машины, то обмотку его статора соединяют звездой, в противном случае — треугольником. В некоторых случаях обмотки соединены внутри двигателя и снаружи имеется только три вывода. В этом случае на щитке указано линейное напряжение. Ротор асинхронного двигателя также набирают из стальных штампованных листов (рис. 12.3). Насаженные на вал, они образуют ротор, имеющий форму цилиндра. По наружному периметру листа штампуют отверстия, образующие пазы ротора, в которые закладывают обмотку. Форма пазов может быть различной (рис. 12.4). Двигатели большой мощности имеют ротор с вентиляционными отверстиями для охлаждения.

По конструктивному исполнению обмотки ротора асинхронные двигатели подразделяют на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Короткозамкнутая обмотка образуется медными или латунными неизолированными стержнями, помещаемыми в пазы ротора. Поперечное сечение этих стержней имеет форму паза. По торцам стержни соединяют медными короткозамыкающими кольцами. Получается обмотка, не имеющая никаких выводов (рис. 12.5). Такие обмотки могут быть одноклеточными и двухклеточными (форма паза на рис. 12.4д). Число фаз такой обмотки равно числу пазов, в которых она размещена.

У машин малой мощности (до 100 кВт) пазы ротора заливают расплавленным алюминием. При этом сразу отливают стержни обмотки, короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рис. 12.6).

Обмотку фазного ротора выполняют из изолированных проводников аналогично обмотке статора. Фазные обмотки ротора соединяют звездой, при этом их начала соединяют с контактными кольцами, расположенными на валу и изолированными как от вала, так и друг от друга. Контактные кольца вращаются вместе с валом. По ним скользят неподвижные щетки, к которым подсоединены реостаты, соединенные звездой (рис. 12.7). 

Билет 2. 1. Периодические величины изменяются во времени по значению и направлению, причем эти изменения повторяются через некоторые равные промежутки времени Т, называемые периодом. 

Любая периодическая величина имеет ряд характерных значений. Максимальные значения, или амплитуды, ЭДС, напряжения и тока обозначают соответственно Um, Em и Im. Значения периодически изменяющейся величины в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают e, u, i. Максимальное значение – частный случай мгновенного. Величину, обратную периоду и равную числу полных изменений периодической величины за 1 с, называют частотой: f=1/T. 

Действующим значением син. тока называют такое значение постоянного тока, при котором в одном и том резисторе с сопротивлением R за время одного периода T  выделяется столько же теплоты, сколько и при син. токе. Или же это среднеквадратичное значение величины за период: I=Im/ . 

2. Уравнение электрического и магнитного состояния идеального тр-ра: Em1=2πW1fФm=2πW1fSBm;

Em2=2πW2fФm=2πW2fSBm; где S – сечение магнитопровода; Bm – максимальное значение магнитной индукции в магнитопроводе.

 U1= -E1’+I1’r1+jx1I1’;  E2= U2 – I2’r2’ – jx2’I2’;  I0=I0а+I0р; I0=I1+(-I2’); F0=F1+F2; I0W1=I1W1+I2W2; I2’=I2*(W2/W1).

Обычно число витков ω1 первичной обмотки трансформатора не равно числу витков ω2 вторичной обмотки. Это приводит к ряду затруднений при изучении режимов работы трансформаторов и при расчете электрических цепей, элементами которых они являются. Во-первых, трансформаторы соединяют различные участки цепи электромагнитным путем, электрически же эти участки остаются несвязанными. При ω2≠ ω1 ЭДС Е1 и Е2 первичной и вторичной обмоток также не равны. Если в электрической цепи последовательно включены п трансформаторов, то при ее расчете приходится п раз изменять по значению ток и напряжение. Во-вторых, при передаче электроэнергии происходит потеря напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Так как номинальные напряжения и токи обмоток отличаются друг от друга в десятки раз и их активные и индуктивные сопротивления различны, то потери напряжения в обмотках также различаются в десятки раз. Поэтому суммирование потерь напряясения в обмотках (в вольтах) не имеет никакого физического смысла, хотя понятно, что на значение вторичного напряжения влияют как потери напряжения во вторичной обмотке, так и потери напряжения в первичной обмотке трансформатора. Чтобы преодолеть эти затруднения, обе обмотки трансформатора приводят к одному числу витков (обычно вторичную к первичной). Таким образом получают приведенную вторичную обмотку, имеющую ω1 витков. Так как число витков обеих обмоток становится одинаковым, то ЭДС обмоток будут равны и совпадают по фазе. При приведении необходимо выполнить условие, чтобы энергетические параметры (мощность, потери мощности) приводимой обмотки не изменились и не повлияли на энергетические соотношения в трансформаторе. ЭДС, напряжение, ток и сопротивления приведенной обмотки обозначают теми же буквами, только со штрихом сверху:

E2‘, U2’, I2’, R2’, X2’, Z2’. 

3. Принцип работы АД.

Созданное обмоткой статора вращающееся с частотой п1 магнитное поле (магнитный поток Ф1) пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС (рис, 12.14). Рассмотрим два проводника (1 и 2) обмотки ротора, расположенные диаметрально противоположно на осевой линии магнитного потока. Согласно правилу правой руки ЭДС в проводнике 1 направлена «на читателя», а в проводнике 2 — «от читателя». Проводники обмотки ротора (как короткозамкнутого, так и фазного) образуют замкнутую цепь, и под действием ЭДС в них возникает ток ротора, направление активной составляющей которого совпадает с направлением ЭДС. На проводники ротора с током, расположенные в магнитном поле, действуют силы  F, пропорциональные магнитной индукции в месте расположения проводников, активной составляющей тока в них и длине проводников. Направление силы (см. рис. 12.14) определяют по правилу левой руки. Такие же силы действуют на все проводники обмотки ротора, при этом возникает вращающий момент на валу. Если вращающий момент превысит значение тормозного момента на валу, ротор начнет вращаться, и его частота вращения будет возрастать до тех пор, пока не наступит равновесие моментов при некотором значении частоты вращения n2=const.

Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля статора. Но частота вращения n2 в режиме двигателя меньше n1. Если представить, что n2=n1, то проводники ротора не будут пересекаться вращающимся магнитным потоком, в них не будет индуцироваться ЭДС, в них не будет тока, а следовательно, сила F, действующая на проводники обмотки ротора, будет равна нулю. В таких условиях ротор сможет вращаться только по инерции. Но так как в реальном двигателе всегда имеются силы трения в подшипниках и трения вращающегося ротора о воздух, то ротор начнет тормозиться, т. е. получим 

n2 < n1. Таким образом, чтобы возникали сила Р и вращающий момент, действующий на ротор, частота его вращения должна быть n2 < n1.

Скольжением называют относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора. Скольжение обозначают буквой S и выражают в относительных единицах или в процентах:

    или  

Частота вращения ротора асинхронного двигателя зависит как от скольжения, так и от частоты вращения магнитного поля. Ее можно определить следующим образом: 

В режиме двигателя скольжение S изменяется от 0 до 1. При пуске двигателя п2 = 0 и S = 1. 

Чем больше тормозной момент, создаваемый на валу двигателя, тем меньше частота вращения ротора n2 и больше скольжение S. Именно потому, что частота вращения ротора не равна синхронной частоте и изменяется с изменением нагрузки, двигатель называют асинхронным.

Билет 3. 1. Под средним значением син. величины понимают ее среднеарифметическое значение. Если определять среднеарифметическое значение за период, оно будет =0, т.к. положительная и отрицательная полуволны син. кривых совпадают по форме. Поэтому среднее значение син. тока опр-ют за полпериода.  Т.о. за среднее значение син. тока принимают такое значение постоянного тока, при котором за полпериода переносится такой же электрический заряд, что и при син. токе. 

Iср=(2/π)Im.

При сложении син. величин надо сложить ординаты для ряда значений угла ωt и по точкам построить синусоиду суммарной величины. На рис 2.10 показано сложение двух токой i1 и i2. Суммарный ток 

I=Imsin(ωt+ψi), причем Im≠I1m+I2m, а  ψi≠ψi2-ψi1.

2. ЭДС, индуцируемые в обмотках статора и ротора.

Действующее значение ЭДС, индуцированной в одном витке фазной обмотки, можно определить по той же формуле, что и в трансформаторе:                

Е1в = 4,44fФm,

где Фт — максимальный магнитный поток, сцепленный

с витком, причем Фт = Bcpτl = -Bmxl;Bcp — среднее значение магнитной индукции на полюсном делении; х — полюсное деление (длина окружности статора, приходящаяся на один полюс); l — длина сердечника статора.

Действующее значение комплексной ЭДС в фазной обмотке будет равно: E1=.

Действующее значение ЭДС фазной обмотки статора, индуцируемой вращающимся магнитным полем, равна

E1=4,44fω1kоб1Фm. Поскольку частота индуцируемой ЭДС пропорциональна частоте пересечения проводника вращающимся магнитным полем (в двигателе это n1), частота ЭДС статора:  f1=pn1/60=60pf/60p=f , т. е. равна частоте напряжения сети.

В обмотке неподвижного ротора, по аналогии с обмоткой статора, индуцируется ЭДС такой же частоты

E2=4,44fω2kоб2Фm , где w2 — число витков обмотки фазы ротора, ko62 — ее обмоточный коэффициент. 

В проводниках обмотки вращающегося ротора индуцируется синусоидальная ЭДС, имеющая частоту f2, равную

f2=pnS/60=psn1/60=sf, так как число полюсов ротора всегда равно числу полюсов статора.

ЭДС в обмотке вращающегося ротора: E2S=4,44f2ω2kоб2Фm=4,44sfω2kоб2Фm. 

ЭДС вращающегося ротора можно выразить через ЭДС неподвижного ротора: E2S=sE2.

ЭДС обмотки ротора прямо пропорциональна скольжению или обратно пропорциональна частоте вращения ротора. Максимальное значение ЭДС ротора принимает при s= 1, т. е. при неподвижном роторе.

Отношение ЭДС обмотки статора Е1 к ЭДС обмотки неподвижного ротора Е2 обозначают ke и называют коэффициентом трансформации по ЭДС. Т.о. получаем: Величину E2’=kеE2=E1 называют приведенной ЭДС ротора.Она в kе раз больше действительной ЭДС и равна ЭДС статора.

3. Схемы замещения. Векторные диаграммы.

Схемой замещения трансформатора называют электрическую схему, эквивалентную действительной, в которой все контуры электрически связаны друг с другом. Параметрами такой цепи являются параметры обмоток трансформатора и взаимно индуктивной связи. Магнитный поток рассеяния Ф1рас индуцирует в первичной обмотке ЭДС рассеяния 

Е1рас= -jX1L1, которую можно представить как падение напряжения с обратным знаком: ΔU1рас= -E1рас= jX1L1, где 

Х1 — индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоком рассеяния. Тогда первичная обмотка трансформатора  может быть изображена на схеме включенными последовательно элементом с активным сопротивлением R1, равным активному сопротивлению проводов обмотки, элементом с индуктивным сопротивлением Х1 и элементом C1-D1  на зажимах которого основным магнитным потоком Ф индуцируется ЭДС Е1 (рис. 7.16а). К зажимам А-Х обмотки подводят напряжение U1.

Аналогично можно изобразить схему приведенной вторичной обмотки.

Так как Е2 и Е'2 равны по модулю и совпадают по фазе, то точки С1 и С2, D1 и D2 имеют соответственно равные потенциалы и их можно объединить в одну точку (точки С и D на рис. 7.17а). В результате получаем схему электрической связанной цепи, которая является схемой замещения трансформатора. Сопротивление Zμ  ветви, на зажимах которой действуют ЭДС Е1 и Е'2, является сопротивлением ветви намагничивания, по которой замыкается ток I0, создающий магнитный поток Ф, индуцирующий эти ЭДС.

 При токах нагрузки трансформатора, близких к номинальным, током I0 в ветви намагничивания, равным току холостого хода, можно пренебречь, что позволяет упростить схему замещения (рис. 7.17а), заменив ее схемой, представленной на рис. 7.176, в которой I1= -I2’.

Сложив активные и индуктивные сопротивления последовательно включенных элементов схемы (рис. 7.176), получим упрощенную схему замещения трансформатора (см. рис. 7.17в), в которой активное сопротивление Rk=R1+R2’, а индуктивное Xk=X1+X2’.

Векторную диаграмму строят на основании следующих уравнений:

U1= -E1+I1(R1+jX1)= -E1+I1Z1

U2’= E2’+I2’(R2’+jX2’)= E2’+I2’Z2’          (7.12)

I1=I0+( -I2’)

За начальный вектор удобнее принять вектор магнитного потока Ф (рис. 7.18), так как он является общим для обеих обмоток. Под некоторым углом в сторону опережения по фазе проводят вектор тока холостого хода 10. Затем под углом π/2 в сторону отставания проводят векторы ЭДС Е2 и Е'2, равные по значению. Дальнейшее построение векторной диаграммы определяется характером нагрузки, т. е. соотношением между активным, индуктивным и емкостным сопротивлениями нагрузки. При активно-индуктивном характере нагрузки вектор вторичного тока I2’, который одновременно является током нагрузки, проводят под углом ψ2 к вектору ЭДС Е'2 (см. рис. 7.18а), причем 

Ψ2= arctg((X2’+Xн’)/( R2’+Rн’)),  где Rн’ и Х'н — приведенные активное и индуктивное сопротивления нагрузки. Вектор вторичного напряжения U2’ находят из уравнения (7.12). Согласно этому уравнению, к вектору Е'2 необходимо прибавить векторы падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях вторичной обмотки (с обратными знаками).

Поскольку вектор jХ'2I2’ падения напряжения на индуктивном сопротивлении опережает вектор тока I2’ на угол π/2, вектор -jХ'2 I2’с обратным знаком проводят в сторону отставания (рис. 7.18а). Затем от конца вектора -jХ'2 I2’ проводят вектор -R2’I2’, направленный противоположно вектору тока I2’. Вектор, соединяющий точку О с концом вектора -R2’I2’, и будет вектором вторичного напряжения U'2. Он опережает ток I2’ на угол φ2. Вектор первичного тока I1 находят из уравнения токов (7.12). К вектору тока холостого хода I0прибавляют вектор приведенного вторичного тока -I2’.

Построение векторной диаграммы заканчивают построением вектора первичного напряжения U1 который находят из уравнения (7.12). Для этого откладывают вектор ЭДС -Е1 а к нему пристраивают вектор падения напряжения на активном сопротивлении R1 первичной обмотки, параллельный вектору тока I1, и вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении Х1 первичной обмотки, опережающий вектор тока на угол π/2. Замыкающий вектор и будет вектором U1.

Билет 4

1) Значение переодически изменяющейся величины в рассматриваемый момент времени называют мгновенным ее значением и обозначают е, u, i – ЭДС, напряжение, ток

Мгновенное значение синусоидальной величины, например тока, определяют по формуле i = Imsin(ωt + ψ)

, где ωt + ψ — фаза-угол, определяющий значение синусоидальной величины в данный момент времени; ψ - начальная фаза, т. е. угол, определяющий значение величины в начальный момент времени.

Синусоидальные величины, имеющие одинаковую частоту, но разные начальные фазы, называются сдвинутыми по фазе.

Разница начальных фаз φ = ψi − ψu определяет угол сдвига фаз. На рис. 2 приведены графики синусоидальных величин (тока, напряжения), сдвинутых по фазе. Когда же начальные фазы двух величин равны ψi = ψu, то разница ψi − ψu = 0 и, значит, сдвига фаз нет φ = 0 (рис. 3).

2) Опыт холостого хода - это определение реальных параметров элементов для используемых в расчетах схем замещения обычно активных двухполюсников, а именно при отсутствии внешней цепи можно определить величину ЭДС, так как из формулы закона Ома для полной цепи при сопротивлении внешнего участка стремящегося к бесконечности величина напряжения на клеммах реального элемента напряжение стремится к ЭДС, но следует учитывать соотношение внутреннего и внешнего сопротивлений внешнее сопротивление должно быть много больше внутреннего сопротивления источника, а на переменном токе следует учитывать реактивные составляющие сопротивления измерительного прибора.

По данным опыта холостого хода определяются коэффициент трансформации U2/U1≈ω2/ω1  магнитные потери Рс   

и параметры ветви намагничивания Z12, r12. x12- Магнитные потери Рс, как указывалось, могут быть приняты равными мощности Ро. потребляемой трансформатором при холостом ходе.При опыте холостого хода собирается схема по рис. 2-18 для одно--фазного трансформатора или по рис. 2-19 для трехфазного трансформатора. При номинальном напряжении U1n(линейном в случае трехфазного трансформатора) измеряют I0 P0  и U20- Опыт холостого хода должен производиться при синусоидальном напряжении. Если напряжение заметно отличается от синусоидального, то в данные измерений необходимо внести некоторые поправки (согласно ГОСТ). При исследовании малых трансформаторов следует учитывать потери в приборах, так как они могут быть соизмеримы с потерями холостого хода.

Рис. 2-18. Схема при опыте холостого хода для однофазного трансформатора.

Измерения U1 и U20 производятся при помощи вольтметров или при высоком напряжении при помощи вольтметров и измерительных трансформаторов напряжения. По данным измерений находят коэффициент трансформации: U20/U1≈ω2/ω1. По амперметру и ваттметру находят ток I0 и мощность Р0 в случае однофазного трансформатора. В случае трехфазного трансформатора необходимо измерить токи во всех трех фазах, так как вследствие несимметрии магнитных цепей отдельных фаз токи в них будут различны. За ток холостого хода здесь принимается среднее арифметическое токов отдельных фаз, т. е.

Мощности отдельных фаз также различны; поэтому мощность, потребляемую трехфазным трансформатором при холостом ходе, следует измерять двумя ваттметрами по схеме рис. 2-19.

Для нормальных силовых трансформаторов ток холостого хода составляет (0,10—0,04)Iн при номинальных мощностях от 5 до нескольких тысяч киловольт-ампер.

Холостому ходу будет соответствовать схема замещения рис. 2-17 при Z' = ∞. Следовательно, по данным опыта холостого хода получаем:

z0=|Z1+Z12|=((r1+r12)^2+(x1+x12)^2)^1/2=U1/I0

Гак как для нормальных трансформаторов r12  больше r1  и х12  больше x1  в сотни раз, то можно принять:

z13≈z0   r12≈r0 =r1+r12=P0/I20     x12≈x0=(z20 – r20)^1/2

Рис. 2-19. Схема при опыте холостого хода для трехфазное трансформатора.

3) Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

За время dt электрическая энергия P1dt, потребляемая асинхронным двигателем из сети, преобразовывается в механическую P2dt. При работе машины неизбежно происходит потеря преобразуемой ею энергии и, следовательно, потребляемая двигателем   мощность Р1 будет больше полезной   Р2, развиваемой на валу двигателя.

Процесс преобразования энергии и потери, происходящие при   работе двигателя, можно иллюстрировать энергетической диаграммой (рис.   22.1). Потребляемая двигателем мощность из сети P1 = m1U1l1 cosφ1 частично расходуется на покрытие потерь в обмотках статора Рm1 =т1I12r1 и в стали сердечника статора Рс1 на гистерезис и вихревые токи.   Оставшаяся часть мощности Pэм = P1—Рm1—Рс1, называемая электромагнитной, передается ротору через воздушный зазор вращающимся магнитным полем. Энергия, полученная ротором, преобразуется в механическую и частично расходуется на покрытие потерь в роторе. На диаграмме показано, что электромагнитная мощность, поступающая на ротор, может быть представлена в виде суммы двух мощностей: Рэм=P’2 +Pm2 

Так как сердечник ротора при работе двигателя перемагничивается с малой частотой pns/6O=f2=Sf1 то потери в стали ротора будут также малы (на энергетической диаграмме они не показаны).

Не вся энергия, преобразованная машиной в механическую (P’2dt) является полезной энергией P2dt, так как часть ее расходуется на покрытие механических потерь Pмехdt от трения в подшипниках и о воздух вращающихся частей машины. Таким образом, мощность, развиваемая вращающимся ротором, P’2=P2+Pмех  энергетической диаграммы следует, что

Pэм-P’2=Pm2 ' (22.1)

Так как мощность может быть представлена произведением момента, развиваемого машиной, на угловую частоту, то (22.1) можно придать следующий вид:

MΩ1-MΩ2=Pm2=m2I22r2, (22.2)

где М~ электромагнитный момент, развиваемый машиной; Ω1, Ω2— угловые частоты вращения поля статора И ротора; т2—число фаз ротора; I2— ток в фазе обмотки вращающегося ротора; r2 — активное сопротивление фазы обмотки ротора.

Выражение (22.2) можно преобразовать к виду , MΩ1-MΩ2= MΩ1(Ω1 - Ω2 ) / Ω1=Pэм*Sоткуда

Pm2=SPэм (22.3)

т. е. потери в меди обмотки ротора определяются произведением скольжения на электромагнитную мощность. Из (22.3) получим

Pэм=Pm2/S=m1I22r2/S (22.4)

или после приведения параметров обмотки ротора к цепи статора

Pэм=m1(I’2)2r’2/S

Максимального значения КПД двигателя достигает при нагрузке, близкой к номннальной. Двигатели малой и средней мощности имеют номинальный КПД в пределах 70...90%, двигатели большей мощности имеют КПД примерно 94...96%.

Билет 5.1. Способы представления син. величин: 

1) изображение в прямоугольных координатах: с помощью графического изображения в прямоугольных координатах можно находить опережающую и отстающую син. величины.

2) векторное изображение син. ЭДС, напряжений, токов: рис. 2.11

3) в виде тригонометрических функций: пример: u=Umsin(ωt+ψu).

4)в виде комплексных чисел.

З-ны Кирхгофа в комплексной фазе: 1)Сумма комплексных токов в узле равно нулю: 

2)Сумма комплексных ЭДС в контуре равна сумме комплексных падений напряжения в этом контуре:

.

З-н Ома в комплексной форме:   и   , где коэффициент  - комплексное электрическое сопротивление.

2. Режимом короткого замыкания трансформатора называют такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты проводом с сопротивлением, равным нулю (Zн = 0). Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

Опыт короткого замыкания. Этот опыт проводят для определения параметров трансформатора. Собирают  электрическую цепь, соответствующую схеме (рис. 7.22), в которой вторичная обмотка замкнута накоротко металлической перемычкой или проводником с сопротивлением, близким к нулю. К первичной обмотке подводят такое напряжение, при котором ток в ней равен номинальному значению I1ном.Измеряют напряжение Uк, ток I1ном и активную мощность Рк потребляемой энергии. В режиме короткого замыкания Uк очень мало, поэтому потери мощности в магнитопроводе Рп0 ~ U12 в сотни раз меньше, чем при номинальном напряжении. Таким образом, можно считать, что Рп0 = 0, и измеряемая ваттметром мощность Рпк — это мощность потерь энергии, затрачиваемой на нагрев обмоток трансформатора. Поэтому можно считать, что мощность Рпк соответствует электрическим потерям в обмотках  трансформатора. Ее называют электрическими потерями или потерями короткого замыкания.

По данным измерений определяют следующие три параметра трансформатора:

1) напряжение короткого замыкания ик = (Uк/U1ном)*100%;

2) мощность потерь короткого замыкания Рпк при I1=I1ном;

3) полное, активное и индуктивное сопротивления трансформатора: Zk=Uk/I1ном; Rk=Pпк/I21ном; Xk= .

 Зная сопротивления Zk, Rk и Хк трансформатора, можно построить треугольник напряжений короткого замыкания (треугольник ОАВ на рис. 7.21), а также определить активную и индуктивную составляющие напряжения короткого замыкания: Uка=Uкcosφк ;  Uкр=Uкsinφк .

3. Коэффициент мощности и его зависимость от нагрузки АД. 

Коэффициент мощности определяется соотношением  cosφ1=P1/S1=P1/ , где: Р1, Q1, S1 – активная, реактивная и полная мощность двигателя.

 Р1 = Р2 + ∆P, где: Р2 – мощность на валу (полезная мощность); ∆P – мощность потерь. ∆P = ∆Pэл + ∆Pст + ∆Pмех,

где: ∆Pэл – электрические потери (потери на нагрев обмоток); ∆Pст – потери в стали (потери на нагрев сердечника);

∆Pмех – механические потери. Электрические потери ∆Pэл зависят от токов в обмотках и возрастают при увеличении нагрузки на валу. Потери в стали не зависят от нагрузки на валу, а зависят от подведенного к обмотке статора напряжения. Механические потери относятся к постоянным потерям. В номинальном режиме cosφн = 0,75÷0,95, cosφхх = 0,08÷0,15. 

Снижение cosφхх объясняется тем, что активная мощность мала (P1хх = ∆Pэл + ∆Pст + ∆Pмех), а реактивная мощность Q1 остается такой же, как и в номинальном режиме. На рис. 2.28 показана зависимость коэффициента мощности асинхронного двигателя от нагрузки на валу. При большой недогрузке асинхронного двигателя он имеет низкий коэффициент мощности, что экономически невыгодно.

Для повышения cosφ при малой нагрузке рекомендуется понижать подведенное к двигателю напряжение. При этом уменьшается реактивная мощность, а коэффициент мощности повышается.

Билет 6. 1. Комплексное число, модуль и аргумент которого соответственно раны амплитуде и начальной фазе син. тока, называют комплексной амплитудой тока: . 

2. Внешней характеристикой трансформатора называют зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки при постоянных значениях первичного напряжения и коэффициента мощности нагрузки: U2’= f(I2’) или U2= f(I2) при U1 = U1ном = const и cosφ2 = const.

При холостом ходе трансформатора можно считать, что U2’=U20’=U1, поэтому  U'2 = U'20 - ΔU, т. е. напряжение на вторичной обмотке отличается от напряжения при холостом ходе на значение потери напряжения в трансформаторе. Для последнего уравнения имеем (%): U'2 = U2 = 100 - ΔU. 

Для трансформаторов большой мощности (%):  U2 = 100 - βUksinφ2.        (7.20)

На рис. 7.24а представлены внешние характеристики трансформатора для нескольких значений cosφ2. В силовых трансформаторах при соsφ2 = 1 будет sinφ2 = 0, и напряжение U2 остается неизменным при всех значениях нагрузки. При активно-индуктивной нагрузке φ2 положителен, и чем он больше, тем больше потери напряжения и тем значительнее снижение напряжения U2 с ростом тока нагрузки. При активно-емкостной нагрузке φ2 отрицателен и потеря напряжения ΔU= - βUksinφ2 также отрицательна. Уравнение (7.20) принимает вид U2 = 100 + βUksinφ2 , откуда следует, что с ростом β, т. е. с ростом тока нагрузки, напряжение U2 увеличивается по сравнению с U20. Для трансформаторов малой мощности нельзя пренебрегать активной составляющей напряжения короткого замыкания. В этом случае для определения потери напряжения нужно пользоваться уравнением, в котором все члены выражены в процентах:U2 = 100 - β(Uкаcosφ2 + Uкрsinφ2).

Наличие составляющей Uка обусловливает снижение напряжения U2 при активной нагрузке (соsφ2 = 1) и уменьшение отклонения напряжения от номинального значения при наличии реактивной составляющей тока нагрузки (как индуктивной, так и емкостной). Внешние характеристики трансформаторов являются практически прямыми линиями. Снижение напряжения при номинальной нагрузке в очень большой степени зависит от коэффициента мощности нагрузки и напряжения короткого замыкания, но не может превышать значения Uк.

Схемы соединения обмоток трехфазного тр-ра.Первичные и вторичные обмотки трехфазных трансформаторов (групповых и трехстержневых) соединяют звездой или треугольником. В некоторых случаях обмотки трансформаторов соединяют по схеме «зигзаг». При соединении обмоток звездой с выводом нейтральной точки это соединение обозначают знаком Y-. Схемы соединения первичной и вторичной обмоток двухобмоточного трансформатора обозначают дробью, в числителе которой указывают схему соединения первичной обмотки, а в знаменателе — схему соединения вторичной обмотки, например Y/Y-, Δ/Δ, Y-/Δ. Схемы соединения обмоток трехобмоточных трансформаторов обозначают следующим образом: Y/Y/Δ. Обмотку высшего напряжения трансформатора с экономической точки зрения выгоднее соединять звездой, так как для получения заданного линейного напряжения Uл требуется фазное напряжение Uф =Uл / , и следовательно, меньшее число витков обмотки и меньший расход изоляционных материалов. Обмотка, соединенная треугольником, также имеет свои преимущества. Ток холостого хода несинусоидален. При соединении обмоток звездой без нейтрального провода гармоники третьего порядка, совпадающие по фазе во всех фазных токах холостого хода, отсутствуют. Это приводит к искажению магнитных потоков и возникновению гармоник ЭДС третьего порядка. Напряжение вторичной обмотки становится несинусоидальным. При наличии обмотки, соединенной треугольником, под действием ЭДС третьего порядка в замкнутом треугольнике обмоток появится ток и падение напряжения в обмотках уравновесит ЭДС третьей гармоники. Линейные напряжения обмотки, соединенной треугольником, будут синусоидальными. Поэтому у трансформаторов большой мощности одну из обмоток обычно соединяют треугольником. Схемы соединения обмоток трансформатора на электрических схемах показаны на рис. 7.28. Начала и концы первичных обмоток фаз обозначают прописными буквами (А, В, С и X, У, Z), а начала и концы вторичных обмоток фаз — строчными (а, b, с и х, у, z).

Параллельная работа тр-ров. При некоторых условиях может оказаться, что для питания электроприемникоз мощности одного трансформатора недостаточно, тогда применяют два или более параллельно включенных трансформатора. Такое положение создается, если суммарная мощность приемников, подключенных к вторичной обмотке трансформатора, больше мощности трансформатора или если для питания приемников требуется большая надежность, не обеспечиваемая одним трансформатором. В больших энергосистемах по линиям передачи высокого напряжения передается электроэнергия, мощность которой чаще всего превышает мощность одного трансформатора, и на такую линию работают несколько трансформаторов.

В подобных случаях трансформаторы включают параллельно (рис. 7.31). При параллельной работе к первичным обмоткам всех трансформаторов (двух или более) подводят одно и то же напряжение U±. Вторичные обмотки всех трансформаторов подключают к одним и тем чсе общим шинам, к которым и подключают нагрузку. Для нормальной работы в режиме параллельного соединения трансформаторы должны удовлетворять следующим условиям:

1) коэффициенты трансформации всех трансформаторов должны быть равны, т. е. k1 = k2 = k3 = ... = kn;

2) напряжения короткого замыкания всех трансформаторов должны быть равны, т. е. uk1=uk2=uk3=…=ukn ;

3) трехфазные трансформаторы должны иметь одинаковую группу соединения обмоток.

Так как первичные обмотки трансформаторов подключены к одному источнику с напряжением U1, то при холостом ходе для равенства вторичных напряжений всех трансформаторов необходимо, чтобы были равны их вторичные ЭДС. Это имеет место только при равенстве коэффициентов трансформации. Если у трансформатора Т1 (рис. 7.31а) коэффициент трансформации больше, чем у трансформатора Т2, то E21 > Е22. В замкнутом контуре вторичных обмоток трансформаторов под действием ЭДС ΔЕ2 = E21 - Е22 ≠ 0 возникнет уравнительный ток I2y, который будет трансформироваться в первичные обмотки. Значение этого тока зависит также от сопротивления обмоток трансформаторов, а фаза тока — от составляющих полных сопротивлений трансформаторов (рис. 7.32). Уравнительный ток в обмотках не является током нагрузки, он нагревает обмотки и      

       снижает полезную мощность трансформатора. Считается допустимым для практики отклонение значения коэффициентов трансформации друг от друга на 0,5%.

В режиме нагрузки вторичное напряжение U2 каждого трансформатора зависит от его внешней характеристики (рис. 7.33). При этом отклонение напряжения U2  от напряжения холостого хода U20. равного для всех параллельно работающих трансформаторов, пропорционально напряжению короткого замыкания Uк трансформатора. Если трансформаторы имеют разные напряжения Uк, то наклон их внешних характеристик будет разный. На рис. 7.33 представлены внешние характеристики трансформаторов, у которых Uк2 > Uk1.

Так как вторичные обмотки обоих трансформаторов подключают к общим шинам, то напряжения на их вторичных обмотках будут всегда одинаковы и равны напряжению на шинах U2ш. При некоторой нагрузке напряжение U2ш будет иметь значение, соответствующее штриховой линии на рис. 7.33, точки пересечения которой с внешними характеристиками трансформаторов являются рабочими точками для данного режима. Абсциссы этих точек определяют ток нагрузки каждого трансформатора, причем I22 < I21.

Таким образом, трансформаторы с разными Uк загружаются по-разному: трансформатор с меньшим ик загружается большим током, чем трансформатор с большим Uк. При увеличении мощности приемников увеличивается нагрузка на оба трансформатора. Однако когда нагрузка трансформатора Т1 достигнет номинального значения, нагрузка трансформатора Т2 будет еще далека от номинальной. Полностью мощность трансформатора Т2 не может быть использована, так как трансформатор Т1 окажется перегруженным. Поэтому включаемые на параллельную работу трансформаторы должны иметь равные значения Uк. Допускается отклонение от среднеарифметического значения не более чем на ±10%.Третье условие является абсолютно жестким. Если трансформаторы принадлежат к разным группам соединения обмоток, то между векторами линейных вторичных ЭДС (следовательно, и напряжений) сдвиг фаз будет отличаться от 0°, а их векторная разность не будет равна нулю. На рис. 7.34 показана векторная диаграмма линейных вторичных ЭДС трансформаторов, принадлежащих к нулевой и одиннадцатой группам соединения обмоток. Возникающая ЭДС ΔE2=E21 – E22 настолько велика, что создаваемый ею уравнительный ток превышает номинальный ток в несколько раз и режим оказывается аварийным.

3. Зависимость электромагнитного момента от скольжения: M=3I22R2/(SΩ1), где М – эл/маг. момент, I2 – ток ротора, S – скольжение, Ω1 – угловая скорость вращения поля. 

Зависимость тока ротора от S: Под действием ЭДС ротора E2S, индуцируемой вращающимся магнитным полем, в замкнутой обмотке ротора возникает ток I2, определяемый по закону Ома:    (12.12)

где R2 — активное сопротивление фазы ротора; Z2S — полное сопротивление фазы ротора.

Ток I2 в обмотке ротора имеет такую же частоту f2=sf, как и ЭДС Е2S. Так как полное сопротивление фазы ротора имеет индуктивную составляющую Х2S, то ток I2 отстает по фазе от Е2S на угол ψ2=arctg(X2S/R2) (12.13).

 Так как Е2S = sЕ2 и Х2S = sХ2, получаем:  , или, разделив на s:  .

При критическом скольжении момент машины достигаем максимального значения:  . Скольжение, при котором момент равен максимальному, можно найти, взяв производную от M и S и приравняв их: Sкр= ±(R2/X20).

Из графиков и формул видно, что: 

)АМ может работать и в двигательном, и в генераторном режимах, в зависимости от скольжения;

) АМ работает устойчиво при значениях скольжения 

от - Sкр  до + Sкр;

) численное значение Sкр в основном определяется параметрами ротора, изменяя R2 можем увеличить или  уменьшить Sкр.

Билет №9

Вопрос 1. Резонанс в контуре достигается при угловой частоте W0=1/(LC), следовательно при подключении к клеммам конденсатора сопротивления R, частота изменяться не будет.

Вопрос 2. Принцип действия машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах. Направление тока, ЭДС, электромагнитного момента.

Электрическая машина предназначена для преобразования механической энергии в электрическую (генератор), электрической в механическую (двигатель) или электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида (преобразователь).

Принцип действия генератора состоит в том, что при передвижении проводника длиной l со скоростью v перпендикулярно магнитным линиям в поле с индукцией В в нём по закону электромагнитной индукции возникает ЭДС e=Blv.

Если замкнуть концы проводника через сопротивление, то ЭДС создаст ток. Направления ЭДС и тока у генератора всегда совпадают.

Ток взаимодействуя с магнитным потоком, в котором он находится, создаёт силу выталкивания проводника из магнитного поля, равную fm=Bil.

Сила взаимодействия fm проявляется как реакция на внешнюю силу перемещения проводника. Она равна и направлена противоположно внешней силе.

Принцип действия двигателя состоит в следующем: если к проводнику, находящемуся в магнитном поле, подвести напряжение, т. е. пропустить через него ток, то проводник под действием возникшей силы fm начнёт перемещаться. При перемещении  вследствие пересечения проводником магнитного поля в нём возникает ЭДС, проявляющаяся как реакция на подведённое напряжение. Поэтому ЭДС в двигателе всегда направлена навстречу току.

Вопрос 3. Асинхронный двигатель с двойной «беличьей клеткой». Частотное регулирование частоты вращения АД. Как изменяется при этом механические характеристики.

Двухклеточные двигатели

Устройство и принцип работы. Двухклеточные двигатели имеют на роторе две короткозамкнутые беличьи клетки, одна из которых представляет собой так называемую пусковую обмотку, а вторая — рабочую. Рабочая обмотка выполняется из медных стержней и размещается в нижних частях пазов, а пусковая обмотка изготовляется из латунных или бронзовых стержней и располагается в верхних частях пазов, ближе к воздушному зазору. Сечение стержней пусковой обмотки может быть несколько меньше, чем у рабочей обмотки. Однако сечение и теплоемкость стержней пусковой обмотки должны быть достаточно велики, чтобы предотвратить чрезмерный нагрев этой обмотки при пуске. Иногда рабочую и пусковую обмотки размещают в отдельных пазах (рис. 27-5, а справа). В связи со сказанным активное сопротивление пусковой обмотки rп обычно в 2—4 раза больше активного сопротивления rр рабочей обмотки. Наоборот, индуктивное сопротивление рассеяния пусковой обмотки хоп в несколько раз меньше, чем хоp рабочей обмотки, поскольку последняя утоплена глубоко в стали сердечника ротора.

Вращающееся магнитное поле двигателя индуктирует в обеих обмотках ротора одинаковые э. д. с.

При пуске вследствие большой частоты тока ротора индуктивное сопротивление рабочей обмотки относительно велико и значительно больше полного сопротивления пусковой обмотки. Поэтому при пуске нагружена током в основном только пусковая обмотка, и ввиду большой величины ее активного сопротивления двигатель развивает большой пусковой момент. При разбеге двигателя частота тока ротора уменьшается, и при нормальной скорости вращения (s = 0,02 ÷ 0,05) индуктивные сопротивления рассеяния обмоток ротора будут в 20—50 раз меньше, чем при пуске. Поэтому в рабочем режиме активные сопротивления обмоток ротора значительно больше индуктивных и полные сопротивления обмотки определяются величинами активных сопротивлений. Вследствие этого при работе двигателя полное сопротивление рабочей обмотки значительно меньше, чем полное сопротивление пусковой, и током нагружена главным образом рабочая обмотка. Ввиду малости активного сопротивления этой обмотки двигатель имеет хороший к. п. д.

Таким образом, в двухклеточном двигателе при пуске происходит вытеснение тока ротора по направлению к воздушному зазору.

В пусковой обмотке двухклеточного двигателя при тяжелых условиях пуска (большой маховой момент приводимого агрегата и пуск под нагрузкой) выделяется большое количество тепла, и эта обмотка при пуске соответственно удлиняется, в то время как рабочая обмотка при пуске остается холодной и не удлиняется. Поэтому во избежание нарушения сварных соединений стержней с торцовыми короткозамыкающими кольцами стержни пусковой и рабочей обмоток присоединяются к отдельным кольцам.

Регулирование скорости изменением первичной частоты (частотное регулирование) требует применения источников питания с регулируемой частотой (синхронные генераторы с переменной скоростью вращения и др.). Поэтому данный способ регулирования используется

главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей необходимо повышать (n > 3000 об/мин) скорости вращения (например, ручной металлообрабатывающий инструмент, некоторые механизмы деревообрабатывающей промышленности и др.) или одновременно и плавно их регулировать (например, двигатели рольгангов мощных прокатных станов и др.). С развитием полупроводниковых преобразователей все более перспективным становится также индивидуальное частотное регулирование скорости вращения двигателей. Схему короткозамкнутого асинхронного двигателя с частотным управлением при помощи полупроводниковых преобразователей можно получить, если на схеме заменить явно-полюсный ротор на ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и питать эту схему от сети переменного тока через полупроводниковый выпрямитель. Управление инвертором при этом производится особым преобразователем частоты вне зависимости от положения ротора двигателя. Величина напряжения регулируется, с помощью выпрямителя.

Если пренебречь относительно небольшим падением напряжения в  первичной  цепи  асинхронного  двигателя, то

U1=E1= 4,44f1w1rоб1Ф

Существенное изменение величины потока Ф при регулировании n нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование машины, уменьшение перегрузочной способности и увеличение тока I2 при том же значении М и т. д. Поэтому в большинстве случаев целесообразно поддерживать Ф = const. При этом следует, что одновременно с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять также напряжение, т. е. поддерживать

U1/f1=const.

Отступление от этого правила целесообразно только в случаях, когда Мст быстро уменьшается с уменьшением n (например, приводы вентиляторов, когда Мст =n2), в этом случае более быстрое уменьшение по сравнению с f1 вызывает уменьшение Ф и улучшает энергетические показатели двигателя и в то же время уменьшение Мm с точки зрения перегрузочной способности не опасно.

При широком диапазоне регулирования правильнее поддерживать

Ф=Е1/f1=const.

К недостаткам частотного регулирования относится громоздкость и высокая стоимость питающей установки.

Закон частотного регулирования:

Билет 12

1)2) КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА Классификация генераторов постоянного тока производится по способу их возбуждения. Они подразделяются на генераторы с независимым возбуждением и самовозбуждением.Генераторы первого типа выполняются с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, располагаемая на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания (рис. 1, а). Ток в цепи возбуждения Iв может изменяться в широких пределах с помощью переменного резистора Ra. Мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, невелика и в номинальном режиме составляет 1-5 % номинальной мощности якоря генератора. Обычно процентное значение мощности возбуждения уменьшается с возрастанием номинальной мощности машины.Генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением возбуждаются постоянными магнитами, из которых изготовляются полюсы машины. С таким видом возбуждения выполняются генераторы относительно небольшой мощности, которые применяются в специальных случаях. Недостатком генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением является трудность регулирования напряжения.У генераторов с самовозбуждением обмотка возбуждения получает питание от собственного якоря. В зависимости от способа ее включения генераторы с самовозбуждением подразделяются на генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

 

Схема соединения генератора параллельного возбуждения показана на рис. 1,б. Переменный резистор RB дает возможность изменять ток возбуждения Iв и, следовательно, выходное напряжение. Ток якоря Ia у этого генератора равен Ia = I + Iв, где I - ток нагрузки. Ток возбуждения относительно мал и для номинального режима составляет 1-5 % номинального тока машины.

У генератора последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединяется последовательно с якорем и ее ток возбуждения равен току якоря и току нагрузки: Iв = Ia =I (рис. 1, в).

У генераторов смешанного возбуждения (рис. 1, г) на полюсах размещаются две обмотки. Одна из них, имеющая большое число витков и выполненная из проводников относительно небольшого сечения, включается параллельно с якорем, а другая обмотка с малым числом витков из проводников большого сечения включается последовательно с якорем. Ток якоря такого генератора равен Ia = I + Iв.

У этих генераторов параллельная и последовательная обмотки могут быть включены согласно (МДС этих обмоток направлены одинаково) и встречно (их МДС направлены противоположно). В зависимости от этого различаются генераторы смешанного согласного включения и генераторы смешанного встречного включения. Обычно в генераторах смешанного возбуждения основная часть МДС возбуждения создается параллельной обмоткой. Генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения иногда называют соответственно генераторами шунтового, сериесного и компаундного возбуждения.

Согласно ГОСТ 183-74 для машин постоянного тока принято следующее обозначение выводов обмоток: обмотки якоря Я1-Я2, параллельной обмотки возбуждения Ш1-Ш2, последовательной обмотки возбуждения С1-С2, обмотки дополнительных полюсов Д1-Д2, компенсационной обмотки К1-К2. Цифра 1 обозначает начало, а 2 - конец обмотки.

3) РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют  собой зависимости скольжения S, числа оборотов ротора n2, развиваемого момента М, потребляемого тока I1, расходуемой мощности Р1, коэффициента мощности соs  и к. п. д. η от полезной мощности Р2 на валу машины. Эти характеристики снимаются три естественных условиях работы двигателя, т. е. двигатель нерегулируемый, частота  f1 и напряжение U1 сети остаются постоянными, а изменяется только нагрузка на валу двигателя. 

Рабочие характеристики асинхронного двигателя двигателя

При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастет, причем при больших нагрузках скольжение увеличивается несколько быстрее, чем при малых.

При холостом ходе двигателя n2=n1 или S=0. При    номинальной    нагрузке   скольжение  обычно   составляет S = 3-5%. Скорость вращения ротора

Так как при увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, то число оборотов будет уменьшаться. Однако изменение скорости вращения при увеличении нагрузки от 0 до номинальной очень незначительно и не превышает 5%. Поэтому скоростная характеристика асинхронного двигателя является жесткой —она имеет очень малый наклон к горизонтальной оси.

Вращающий момент, развиваемый двигателем М, уравновешен тормозным моментом на валу М2 и моментом, идущим на преодоление механических потерь М0, т. е.

где Р2 —полезная мощность двигателя,       2 —угловая скорость ротора.

При холостом ходе двигателя вращающий момент равен М0; с увеличением нагрузки на валу этот момент также увеличивается, причем за счет некоторого уменьшения скорости ротора увеличение вращающего момента происходит быстрее, чем увеличение полезной мощности на валу.

Сила тока I1 потребляемого двигателем из сети, неравномерно изменяется с увеличением нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе соs  мал и ток имеет большую реактивную составляющую и очень малую активную составляющую. При малых нагрузках на валу двигателя активная составляющая тока статора меньше реактивной составляющей, а потому изменение нагрузки, т. е. изменение активной составляющей тока, вызывает незначительное изменение силы тока I1 (определяющейся в основном реактивной составляющей). При больших нагрузках активная составляющая тока статора становится больше реактивной и изменение нагрузки вызывает значительное изменение силы тока I1..  

Потребляемая двигателем мощность Р1 при графическом изображении имеет вид почти прямой линии, незначительно отклоняющейся вверх при больших нагрузках, что объясняется увеличением потерь в обмотках статора и ротора с увеличением нагрузки.

Изменение коэффициента мощности при изменении нагрузки на валу двигателя происходит следующим образом. При холостом ходе соs  мал (порядка 0,2), так как активная составляющая тока статора, обусловленная потерями мощности в машине, мала по сравнению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнитный поток. При увеличении нагрузки на валу соs возрастает (достигая наибольшего значения 0,8—,9) в результате увеличения активной составляющей тока статора. При очень больших нагрузках происходит некоторое уменьшение соs, так как вследствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.

Кривая к. п. д. т имеет такой же вид, как в любой машине или трансформаторе. При холостом ходе к. п. д. равен нулю. С увеличением нагрузки на валу двигателя к. п. д. резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего значения к. п. д. достигает при такой нагрузке, когда потери мощности в стали и механические потери, не зависящие от нагрузки, равны потерям мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки. Торможение противовключением Этот тормозной режим возникает при реверсе двигателя, а также широко используется для быстрой остановки двигателя.

На рис. 2.27 представлены механические характеристики асинхронного двигателя при торможении противовключении для прямого (1) и обратного (2) порядка чередования фаз.

Пусть двигатель с нагрузкой на валу работал в точке А. Для торможения двигателя нужно изменить порядок чередования фаз, т.е. переключить две фазы. При этом рабочая точка перейдет в точку В (рис. 2.27). На участке ВС машина работает в режиме электромагнитного тормоза, развивая тормозной момент, под действием которого происходит быстрое снижение скорости до нуля. В точке С двигатель нужно отключить от сети, иначе произойдет реверс.

Достоинством этого тормозного режима является быстрое торможение, т.к. тормозной момент действует на всем тормозном пути. Недостатки: большие токи и потери в обмотках при торможении, необходима аппаратура, контролирующая скорость вращения и отключающая двигатель от сети при его остановке. Если в приводе механизма двигатель часто работает в режиме реверса, приходится завышать его мощность из-за больших потерь мощности.

Билет 13

1. В общем случае при несимметричной нагрузке Zab ≠ Zbc ≠ Zca. Обычно она возникает при питании от трехфазной сети однофазных приемников. 

Векторная диаграмма для случая, когда в фазе ab имеется активная нагрузка, в фазе bc – активно-индуктивная, а в фазе ca – активно-емкостная приведена на рис. 3.16, топографическая диаграмма – на рис. 3.17.

Построение векторов линейных токов произведено в соответствии с выражениями

İA = İab - İca; İB = İbc - İab; İC = İca - İbc.

Таким образом, при несимметричной нагрузке симметрия фазных токов İab, İbс, İca нарушается, поэтому линейные токи İA, İB, İC можно определить только расчетом по вышеприведенным уравнениям (3.20) или найти графическим путем из векторных диаграмм (рис. 3.16, 3.17).

Сумма мгновенных значений токов равна нулю – доказывается с помощью временных диаграмм трехфазной системы токов (см. рис.)

В момент времени ωt = 0:     iA = 0,  iC > 0,  iB < 0 , причем iC = – iB в момент ωt = 2π/12     iB = –Im,  iA = iC = 0,5Im в момент ωt = 2π/6     iC = 0,  iA = – iB и т.д. Во всех случаях сумма мгновенных значений токов равна нулю.

2. Характеристика холостого хода — это зависимость ЭДС якоря Ея от тока возбуждения IВ, когда нагрузка отсутствует, а частота вращения якоря п постоянна:

Ея = f(IB) при I = 0, п = const,

где I — ток нагрузки (у генератора независимого возбуждения ток нагрузки равен току якоря).

В режиме холостого хода Ея = сепФ0, так как результирующий поток Ф равен основному потоку Ф0. Учитывая, что п = const, получим  Ея = с'еФ,

где с'е = сеп = const. (cе – постоянная, зависит от машины, n – число витков)

Таким образом, ЭДС якоря линейно зависит от магнитного потока Ф0, который создается током возбуждения Iв. Зависимость между потоком и током возбуждения определяется характеристикой намагничивания. Следовательно, и зависимость Ея = f(IB) также имеет вид характеристики намагничивания (рис.). Если полюсы генератора предварительно намагничены, то они сохраняют остаточную намагниченность, поэтому в машине при токе Iв = 0 имеется незначительный магнитный поток Фост, называемый остаточным магнитным потоком. По этой причине при токе Iв = 0 в обмотке вращающегося якоря индуцируется небольшая остаточная ЭДС Еост, что несколько изменяет вид характеристики в начале координат (штриховая линия на рис.). Номинальному значению ЭДС Еяном = Uном соответствует ток возбуждения Iв0.

По ХХХ определяют, как нужно изменять ток возбуждения чтобы получить необходимую ЭДС.

3. Устройство синхронных машин

На статоре 1 генератора размещается обмотка 2, состоящая из трех частей или, как их принято называть, фаз. Обмотки фаз располагаются на статоре таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 2π/3, т.е. на 120°. На рис. 3.1 каждая фаза обмотки статора условно показана состоящей из одного витка. Начала фаз обозначены буквами A, B и C, а концы – X, Y, Z. Ротор 3 представляет собой электромагнит, возбуждаемый постоянным током обмотки возбуждения 4, расположенной на роторе.

Статор синхронных машин имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазную обмотку, размещенную в пазах сердечника статора, выполняют с таким же числом полюсов, как и ротор. В синхронных машинах обмотку статора принято называть обмоткой якоря, а сердечник статора вместе с обмоткой — якорем. Однако статор синхронных машин имеет и некоторые конструктивные особенности, обусловленные необходимостью его интенсивного охлаждения, так как в крупных синхронных машинах мощность потерь энергии, преобразующейся в тепловую, очень велика. В крупных машинах в системах охлаждения в качестве хладагентов используют водород, трансформаторное масло и дистиллированную воду. В машинах относительно небольшой мощности используют также и воздушное принудительное охлаждение.

Ротор синхронных машин конструктивно выполняют либо явнополюсным (с явно выраженными полюсами), либо неявнополюсным (с неявно выраженными полюсами), поперечные сечения которых показаны на рис. 13.1. На роторе располагают обмотку возбуждения. Ее подключают к источнику постоянного напряжения, называемого возбудителем. Таким образом, ротор синхронной машины имеет свой магнитный поток, который определяет полярность его полюсов. В этом заключается  принципиальное конструктивное отличие ротора синхронной машины от ротора асинхронной машины, полярность полюсов которого всегда определяется полярностью полюсов статора.

Неявнополюсный ротор, как правило, изготовляют как единое целое из стальной поковки, используя для  этого особо прочную сталь, обладающую высокими магнитными и механическими свойствами. Обмотку возбуждения закладывают в пазы, выфрезерованные на наружной поверхности ротора, и она создает магнитное поле с двумя или четырьмя полюсами, если ее подключить к источнику постоянного напряжения. Такой ротор применяют в синхронных машинах при частотах вращения вала 3000 об/мин и 1500 об/мин (в турбогенераторах и синхронных двигателях). Общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора показан на рис. 13.2а.

Явнсполюсный ротор применяют в гидрогенераторах, синхронных двигателях и компенсаторах, в которых частота вращения, как правило, не превышает 1000 об/мин. Внешний вид роторов таких машин показан на рис. 13.2б, в. Сердечники полюсов изготовляют из листовой электротехнической стали. Число полюсов, которых размещают обмотку возбуждения, может быть достаточно большим, особенно в гидрогенераторах. Это связано с тем, что гидравлические турбины — тихоходные машины, и чтобы получить промышленную частоту напряжения f = рп/60 = 50 Гц при малой частоте вращения п, необходимо иметь большое число пар полюсов р. Так, например, гидрогенераторы, установленные на Саяно-Шушенской ГЭС, имеют частоту вращения п = 142,8 об/мин и число пар полюсов р = 21. По этой причине наружный диаметр ротора мощных гидрогенераторов может достигать 16 м при длине 1,75 м. С целью снижения механической нагрузки на вал в мощных гидрогенераторах вал ротора располагают вертикально. Внешний вид гидрогенератора с таким конструктивным исполнением показан на рис. 13.3.

Синхронные двигатели изготовляют, как правило, с горизонтальным расположением вала. При частоте вращения 3000 об/мин они имеют ротор с неявно выраженными полюсами, а при частоте вращения от 100 до 1000 об/мин — с явно выраженными полюсами. В машинах небольшой мощности такое исполнение ротора иногда применяют и при частотах вращения 1500 об/мин. В явнополюсных двигателях в полюсные наконечники укладывают короткозамкнутую обмотку, называемую пусковой, аналогичную короткозамкнутой обмотке ротора в асинхронных машинах (рис. 13.4). Она предназначена для осуществления асинхронного пуска синхронных двигателей и повышения устойчивости работы двигателя.

Синхронные компенсаторы выполняют только в явнополюсном исполнении с горизонтальным расположением вала.

Билет №10.

1) В последовательном RLC-контуре резонанс наступает на частоте W0=1/(LC). Изменится ли частота, если на зажимы конденсатора подключить активное сопротивление R?

Резонанс – явление в электрической цепи (или на ее участке), содержащей индуктивные и емкостные элементы (хотя бы по одному), возникающее в случае, когда реактивное сопротивление или реактивная проводимость этой цепи (или ее участка) равны нулю.

Такой режим цепи при последовательном соединении элементов с R,L,C, когда XL= XC, а напряжения на индуктивном UL и емкостном UC элементах, находящиеся в противофазе, равны по значению и могут превышать напряжение всей цепи, носит название резонанса напряжений.

При этом режиме R=Const, поэтому при заданном условии частота не изменится.

2) Конструктивные элементы и узлы машины постоянного тока. Можно ли для облегчения конструкцию станины выполнить из алюминия?

1 – станина 2 - обмотки главных полюсов 3 - полюсные наконечники 4 – щётки 5 – дополнительные полюса6 – коллектор7 – выводные клеммы якоря8 – якорь9 – рым 

Машина постоянного тока состоит из 2 основных частей: 1 – неподвижная часть (станина) и 8 – вращающаяся часть (якорь).

Материалом для изготовления статора (станины) служит литая электротехническая сталь с высокой магнитной проницаемостью. Статор служит для крепления к нему отдельных деталей машины, таких как главные и добавочные полюсы, подшипниковые щиты, щёточное устройство, а также для защиты отдельных узлов машины от механических повреждений, и является частью магнитопровода, по которой замыкается основной магнитный поток, создаваемый главными полюсами. Для облегчения нельзя выполнять из алюминия.

Главный полюс состоит из сердечника с полюсным наконечником и катушек возбуждения, причем на сердечнике могут располагаться несколько катушек возбуждения. Сердечник главного полюса набирают из листов электротехнической стали.

Основными частями якоря являются его сердечник с обмоткой и коллектор, насаженные на вал машины. Сердечник якоря набирают из изолированных листов электротехнической стали.

Коллектор является неотъемлемой частью якоря и представляет собой цилиндрическое тело, набранное из медных клинообразных коллекторных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками.

Щёточное устройство предназначено для осуществления электрического скользящего контакта между вращающимся якорем и внешней электрической цепью. Основными элементами этого устройства являются токопроводящие щётки. Материалом для щёток служит композиция, выполненная на основе графита.

3) Реостатное регулирование частоты вращения асинхронного двигателя. Как изменятся при этом механические характеристики? Достоинства и недостатки метода.

Этот способ регулирования частоты вращения применим только для двигателей с фазным ротором. Регулировочные реостаты включают последовательно с фазными обмотками ротора, т.е. аналогично пусковым реостатам.

             

В отличие от пусковых регулировочные реостаты рассчитаны на длительный режим работы. При постоянном тормозном моменте на валу двигателя, а следовательно, при постоянном вращающем моменте изменение сопротивления регулировочного реостата приводит к изменению частоты вращения двигателя.

Каждому значению сопротивления Rp соответствует своя механическая характеристика. При M=Const частота вращения двигателя тем меньше, чем больше сопротивление регулировочного реостата. Если Rp=0, то двигатель имеет частоту вращения n2,0, близкую к синхронной частоте n1. Если Rp1>0, то n2,1 < n2,0 итд.

Т.о., регулирование частоты вращения возможно только в сторону ее уменьшения по отношению к синхронной частоте.

Рассматриваемый способ регулирования связан со значительными потерями энергии в регулировочных реостатах и поэтому малоэкономичен. Он применяется главным образом при кратковременной или повторно-кратковременной работе (например, пуско-наладочные работы), а также в приводах с вентиляторным моментом.

К недостаткам реостатного регулирования скорости относятся также мягкость механических характеристик и зависимость диапазона регулирования от величины нагрузки. В частности, регулирование скорости на холостом ходу практически невозможно. 

Билет 7

1) В чем сущность комплексного метода расчета? Запишите в комплексной форме сопротивление и проводимости активного сопротивления R, катушки индуктивности L, емкости С.

Комплексный метод расчета электрических цепей синусоидального тока применим только при установившихся режимах работы цепей и основан на использовании преобразований:

Сущность его заключается в том, что, используя указанные преобразования, систему дифференциальных уравнений для действительных функций времени можно заменить системой алгебраических уравнений с комплексными токами, напряжениями и ЭДС. Переход от дифференциальных уравнений к алгебраическим уравнениям с комплексными числами осуществляют заменой в них мгновенных значений тока i, напряжения u и ЭДС е комплексными числами в соответствии с:

,

а производных и интегралов от них – комплексными числами в соответствии с:.

Замена синусоидальных токов, напряжений и ЭДС соответствующими им комплексными числами позволяет существенно упростить математический анализ процессов в электрических цепях и электротехнических устройствах переменного тока в установившихся режимах.

Комплексное сопротивление ветви – частное от деления комплексного напряжения на концах ветви на комплексную величину протекающего по ней тока:

.Комплексная проводимость:Сопротивления:

2) Автотрансформаторы, их достоинства и недостатки. Области применения. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Отличительные их особенности работы.

Автотрансформаторы применяют для преобразования напряжения при передаче электрической энергии. Они отличаются от трансформаторов тем, что у них обмотка НН является частью обмотки ВН. Первичная и вторичная обмотки имеют как магнитную, так и электрическую связь. 

Бывают однофазные и трехфазные, повышающие и понижающие.

Потери мощности в стали магнитопровода автотрансформатора такие же, как и у трансформатора. Потери на нагрев обмоток у автотрансформатора меньше, так как обмотка только одна и при этом ток в общих витках мал. Поэтому КПД автотрансформаторов больше, чем обычных трансформаторов.

Недостатки: более тяжелые условия КЗ, так как сопротивление автотрансформаторов меньше, а ток КЗ больше, чем у трансформатора, а также возможность попадания высокого напряжения в сеть низшего напряжения при межвитковом КЗ внутри автотрансформатора.

Трехфазные автотрансформаторы применяют для связи энергосистем, уровни напряжения которых мало отличаются друг от друга (110, 220, 330, 500 кВ). Автотрансформаторы используют также для пуска асинхронных и синхронных электродвигателей. Однофазные автотрансформаторы малой мощности нашли широкое применение в устройствах связи и автоматики. В лабораторной практике автотрансформаторы часто применяют для плавного изменения напряжения в широких пределах.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения.

В электроустановках переменного тока большой мощности и напряжением выше 1 кВ непосредственное включение электроизмерительных приборов невозможно, так как номинальные значения напряжения и тока приборов не соответствуют номинальным значениям напряжения и тока электроустановок. Для расширения пределов измерения приборов и для изоляции их от цепей высокого напряжения применяют ИТТ и ИТН.

ИТТ используют для расширения пределов измерения амперметров и последовательных обмоток ваттметров, счетчиков энергии и фазометров. Его первичную обмотку включают последовательно в ту цепь, ток в которой надо измерить. Эта обмотка обычно состоит из одного или нескольких витков, ее выводы обозначают Л1 и Л2. К зажимам вторичной обмотки подключают амперметр или последовательные обмотки ваттметра, счетчика и фазометра. Чтобы ток во вторичной обмотке был меньше измеряемого первичного тока, число витков вторичной обмотки делают большим. Выводы вторичной обмотки обозначают И1 и И2. Вторичную обмотку и металлические части кожуха заземляют. Это вызвано требованиями техники безопасности для защиты обслуживающего персонала от возможного поражения током высокого напряжения при пробое изоляции между первичной и вторичной обмотками.

Подключаемые ко вторичной обмотке приборы обычно имеют небольшое сопротивление. Поэтому для трансформатора тока нормальным режимом является режим короткого замыкания, при котором можно считать I2=I1/k1 (k1=w2/w1). При отключении или замене прибора вторичная обмотка трансформатора тока должна быть обязательно закорочена. Для трансформаторов тока, как и для силовых трансформаторов, справедливо уравнение МДС . В отличие от силовых трансформаторов, у трансформаторов тока МДС первичной обмотки  не зависит от МДС вторичной обмотки , а определяется током в цепи, в которую она включена. Если разомкнуть цепь вторичной обмотки, то  и результирующая МДС будет равна  которая во много раз может превышать МДС . Поэтому если не замкнуты накоротко зажимы вторичной цепи, то МДС первичной обмотки  не будет скомпенсирована, магнитный поток и потери в магнитопроводе увеличатся настолько, что трансформатор может сгореть. Кроме того, возросший магнитный поток индуцирует на зажимах вторичной обмотки, имеющей большое число витков, значительную ЭДС (сотни и даже тысячи вольт).

Трансформаторы тока имеют стандартные номинальные первичные токи от 5 до 15000 А при номинальном вторичном токе 5 А (у некоторых трансформаторов при токе 1 А). Поэтому ко вторичной обмотке следует присоединять приборы, номинальный ток которых равен 5 А. При соблюдении этого условия цену деления прибора определяют по номинальному первичному току трансформатора тока.

Некоторые типы лабораторных трансформаторов тока изготовляют на несколько значений номинальных первичных токов, в том числе и на токи, меньшие 5 А. Это необходимо тогда, когда измеряемые токи настолько малы, что не могут быть измерены прибором, предел измерения которого равен 5 А. В этом случае трансформаторы работают как повышающие, т. е. измеряемый ток увеличивается с их помощью.

ИТН применяют в сетях высокого напряжения для измерения напряжения и частоты. К вторичной обмотке подключают вольтметры, частотомеры и параллельные обмотки ваттметров, счетчиков и фазометров, т. е. обмотки, имеющие большое сопротивление. Поэтому для трансформаторов напряжения нормальным режимом является режим холостого хода.

Трансформаторы напряжения конструктивно мало отличаются от обычных силовых трансформаторов. Они имеют небольшую мощность и включаются в сеть так же, как обычные трансформаторы. Вторичная обмотка заземлена. Коэффициент трансформации выбирают таким, чтобы вторичное напряжение было равно 100 В.

При включении через измерительные трансформаторы измерительных приборов, у которых различаются начала и концы обмоток, нужно следить, чтобы начала обмоток приборов (генераторные зажимы) были присоединены к зажиму И1 трансформатора тока и зажиму а трансформатора напряжения. Тогда направление тока в обмотках приборов будет таким, как при прямом включении приборов, и показание приборов будет правильным.

3) Пуск АД с контактными кольцами. Пусковые механические характеристики. Влияние величины сопротивления на пусковой ток и момент.

Пуск двигателей с контактными кольцами (фазным ротором) осуществляется с помощью пускового реостата. Трехфазный пусковой реостат включают последовательно с обмоткой ротора через щетки и кольца. В результате сопротивление цепи ротора увеличивается, а пусковой ток ротора  уменьшается и, следовательно, уменьшается пусковой ток двигателя.

Сопротивление пускового реостата  можно подобрать таким, что пусковой момент будет равен максимальному. Для этого необходимо, чтобы Sкр=1. Получаем: , откуда сопротивление пускового реостата, приведенное к обмотке статора: .

При включении пускового реостата сопротивлением  двигатель трогается с места при Мп=Мmax (характеристика 1). По мере того, как увеличивается частота вращения двигателя, сопротивление пускового реостата уменьшают. Этому соответствует переход на новую механическую характеристику (2). Когда пусковой реостат полностью выведен, разгон двигателя заканчивается в соответствии с естественной характеристикой 4. Такое изменение сопротивления пускового реостата обеспечивает условия разгона двигателя при моментах, близких к максимальному, благодаря чему сокращается время пуска. Это особенно важно, когда пуск двигателя осуществляется под нагрузкой.

АД с фазным ротором сложнее по конструкции и дороже АД с короткозамкнутым ротором. Но в связи с тем, что при пуске они могут развивать максимальный момент, их применяют в установках с тяжелыми условиями пуска (подъемные краны, лебедки и др.).

Билет 15

1) Коэффициент мощности симметричных трехфазных установок, его технико-экономическое значение и способы повышения.

Значительную часть приемников электрической энергии составляют трехфазные асинхронные двигатели, обслуживающие силовые промышленные установки (компрессоры, насосы, вентиляторы) и производственные механизмы (в основном станки), установки электрического освещения, электрические печи, а также преобразовательные агрегаты, служащие для питания приемников постоянного тока. Все эти приемники, кроме установок электрического освещения, как правило, являются симметричными.

Большая часть промышленных приемников потребляет из сети, помимо активной, и реактивную энергию. Основными потребителями реактивной энергии являются асинхронные двигатели и трансформаторы, потребляющие соответственно 60÷65 и 20÷25% общего количества реактивной энергии.

При загрузке линий передач и трансформаторов значительными потоками реактивной энергии возникают дополнительные потери на нагрев, потери напряжения (особенно в сетях районного значения), уменьшается пропускная способность линий электропередачи и трансформаторов, возникает необходимость увеличения площадей сечений проводов воздушных и кабельных линий, а также мощности или количества трансформаторов. Поэтому в современных системах электроснабжения стремятся частично разгружать линии электропередачи и трансформаторы от реактивной энергии, приближая в соответствии с технико-экономическими возможностями источники реактивной энергии к местам ее потребления. Это приводит к увеличению коэффициента мощности установок.

Повышение коэффициента мощности имеет огромное технико-экономическое значение: так, его повышение на 0,01 только в одной крупной энергосистеме дает ежегодно экономию нескольких миллионов киловатт-часов.

Повышение коэффициента мощности промышленных предприятий должно осуществляться, прежде всего, за счет упорядочения энергетического режима оборудования, рационального использования установленных мощностей асинхронных двигателей и трансформаторов, замены мало загруженных двигателей двигателями меньших мощностей, ограничения режимов холостого хода трансформаторов и двигателей и др. В случае необходимости прибегают к искусственным мерам повышения коэффициента мощности с помощью компенсирующих устройств (источников реактивной энергии) — синхронных компенсаторов — (мощных синхронных двигателей) и статических конденсаторов.

Чем больше реактивная энергия, вырабатываемая компенсирующими устройствами, установленными вблизи приемников, тем выше коэффициент мощности.

Выбор компенсирующих устройств осуществляют на основе технико-экономических расчетов. Применение синхронных компенсаторов в маломощных установках нецелесообразно, поэтому на промышленных предприятиях при мощности компенсирующего устройства меньше 5 МВАр (U = 6 кВ) и 10 МВАр (U = 10 кВ) экономически целесообразна установка конденсаторных батарей.

Реактивная мощность конденсаторов в одном элементе составляет 4÷10 кВАр: из двух элементов собирают батареи требуемой мощности, соединяют их треугольником и включают в трехфазную сеть. В этом случае при заданном напряжении требуются конденсаторы меньше емкости. Установки конденсаторов делятся на три вида: индивидуальные, групповые и централизованные (в последних мощность конденсаторов используется более эффективно).

В соответствии с указаниями по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях каждому предприятию нормируется не коэффициент мощности, а непосредственное экономически обоснованное значение реактивной энергии, которую ему разрешается потреблять из сети. В соответствии со специальными договорами предприятиям устанавливается оптимальный tg, определяемый по показаниям счетчиков реактивной и активной энергии (tg = Qср/Pср). Если предприятие работает с tg, близким к оптимальному, то оно получает скидку на оплату за электроэнергию (что дает общую экономию средств), если tg отличается от оптимального, то устанавливается надбавка к тарифу (до 30 %).

Коэффициентом мощности называется отношение активной мощности (ватт, киловатт) к полной мощности (вольт-ампер, киловольт-ампер). Коэффициент мощности в общем случае меньше единицы. Только при чисто активной нагрузке (освещение, нагревательные устройства) он равен единице.

где QC — реактивная мощность компенсирующих устройств.

Величина коэффициента мощности определяет ту долю полной мощности генератора или трансформатора, которую он может отдать энергоприемнику в виде активной мощности.

Низкий соs  у потребителя обусловливает увеличение полной мощности генераторов и трансформаторов, создает недогрузку соответствующих первичных двигателей, а также увеличивает потери мощности в проводах и их сечение.

Причинами низкого коэффициента мощности могут быть:

1.Недогрузка асинхронных электродвигателей на промышленных предприятиях. При холостом ходе двигателя соs  равен 0,1—0,3; при номинальной нагрузке — 0,83—0,85 и выше. 

2.Неправильный выбор типа электродвигателя, например необоснованное применение закрытого электродвигателя вместо открытого.

3.Увеличение напряжения в сети выше номинального.

4.Некачественный ремонт электродвигателей (неполное заполнение пазов, сильный износ подшипников, увеличение воздушного зазора или неравномерности его по периметру и т. п.).

Снижение коэффициента мощности наносит государству значительный ущерб. Поэтому повышение коэффициента мощности электрических установок является важнейшей народнохозяйственной задачей.

Практика указывает на следующие способы увеличения соs :

- правильный выбор типа, мощности и числа оборотов установленных электродвигателей (и особенно вновь устанавливаемых);- полная загрузка электродвигателей по номинальным значениям тока и напряжения;

- запрещение   работы   асинхронных   электродвигателей   продолжительное время вхолостую; - правильный   и   качественный   ремонт электродвигателей;- применение статических   конденсаторов;

- замена  части асинхронных электродвигателей синхронными; - при нагрузке двигателя менее чем на 40—50% целесообразно переключить его с треугольника на звезду (если он нормально работает при включении обмоток треугольником).

2) Классификация двигателей постоянного тока по способу возбуждения. Достоинства и недостатки каждого способа. Области применения двигателей с различными способами возбуждения.

Электрические двигатели постоянного тока (ДПТ) – машины, преобразующие электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Эта механическая энергия используется для приведения во вращение какого-либо исполнительного механизма.

ДПТ по способу возбуждения делятся на:- ДПТ параллельного возбуждения;- ДПТ последовательного возбуждения;- ДПТ смешанного возбуждения.Двигатель параллельного возбуждения.

В двигателе параллельного возбуждения обмотка возбуждения включена на напряжение сети, т.е. параллельно обмотке якоря. Ток возбуждения составляет 3-5% от номинального значения тока двигателя. После пуска двигателя пусковой реостат полностью выведен, и к якорю двигателя подводится напряжение сети.

Характерной особенностью таких двигателей является независимость тока возбуждения (или потока возбуждения) от тока якоря машины. Разновидностью независимого возбуждения является возбуждение от постоянных магнитов.

Достоинства:- большой диапазон скоростей;-  удобно и экономично регулировать величины тока возбуждения.Недостатки:-  сложность конструкции;- наличие скользящего контакта в коллекторе;- необходим источник постоянного тока.

Применение: в приводах вентиляторов, станков, а также в других случаях регулируемого электропривода, где требуется устойчивая работа при колебаниях нагрузки, так как они имеют жесткие механические характеристики и возможность плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.Двигатель последовательного возбуждения.

Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, поэтому ток возбуждения равен току якоря.

Режим холостого хода недопустим, т.к. при токе якоря, близком к нулю, ток возбуждения и магнитный поток также близки к нулю, частота вращения двигателя увеличивается  в несколько раз по сравнению с номинальной, что может привести к механическому разрушению якоря.

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент, пропорциональный квадрату тока якоря, обеспечивает этим двигателям хорошие пусковые свойства, т. е. большой пусковой момент при сравнительно малом токе якоря. Поэтому такие двигатели применяют в грузоподъёмных и тяговых приводах.

Двигатели последовательного возбуждения не создают таких больших толчков тока для питающей сети при резких увеличениях тормозного момента, какие создают двигатели параллельного возбуждения.

Двигатель смешанного возбуждения.Имеет две обмотки возбуждения, одна из которых включена параллельно обмотке якоря, а другая - последовательно с ней.

Достоинство двигателя со смешанным возбуждением является то, что он обладает мягкой механической характеристикой, но может работать и в режиме холостого хода.

Двигатели смешанного возбуждения применяются в условиях, когда требуется большой пусковой момент, быстрое ускорение при пуске и допустимы значительные изменения скорости вращения при изменении нагрузки. Эти двигатели используются также в случаях, когда момент нагрузки изменяется в широких пределах, так как при этом мощность двигателя снижается, как и у двигателя с последовательным возбуждением. В связи с этим двигатели смешанного возбуждения применяются для привода на постоянном токе компрессоров, строгальных станков, печатных машин, прокатных станов, подъемников и т. д. В последнее время двигатели смешанного возбуждения используются также для электрической тяги, так как при этом легче, чем в случае применения двигателей последовательного возбуждения, осуществляется торможение подвижных составов с возвращением энергии в контактную сеть постоянного тока путем перевода машины в генераторный режим работы.

3) Проанализируйте влияние реакции якоря на величину напряжения синхронного генератора (СГ) при неизменных ЭДС и тока статора при емкостной нагрузке. Изобразите соответствующую векторную диаграмму.

Результирующий магнитный поток зависит от характера нагрузки синхронной машины, т.е. от сдвига фаз между ЭДС и током статора. Влияние магнитного потока якоря на результирующий магнитный поток называют реакцией якоря. 

При емкостной нагрузке ток противоположен по фазе индуктивному току (ψ = - π/2) и создает магнитный поток якоря, который совпадает по направлению с основным магнитным потоком. Следовательно, он является продольным намагничивающим потоком Фяd. Как видно из векторной диаграммы, в этом случае результирующие магнитный поток Ф и ЭДС Е увеличиваются за счет реакции якоря.

Билет 14

1. Комплексная мощность фазы генератора

 – активная составляющая – реактивная составляющая

где  – сопряженный комплексный фазный ток

  Мощность трехфазного приемника или генератора равна сумме фазных мощностей:

; При симметричной нагрузке

2. Сравнение внешних характеристик ГПТ при различных способах возбуждения

Внешняя характеристика. Эта характеристика является основной эксплуатационной характеристикой генератора. Она показывает, как изменяется напряжение на выводах машины U при возрастании тока нагрузки I, если при этом на цепь возбуждения не оказывается никакого воздействия. 

а) шунтового генератора (параллельное вкл.) б) компаундное со встречным включением обмоток в) компаундное с согласным включением обмоток г) сериесного генератора (последовательное вкл.) д) независимого возбуждения

3. Проанализируйте влияние реакции якоря на величину напряжения СГ при неизменных ЭДС и тока статора при активной нагрузке. Изобразить соответствующую векторную диаграмму.

При активной нагрузке генератора ток статора  совпадает по фазе с напряжением Uг. Поток реакции якоря Фя совпадает по фазе с током I, так что вектор тока в статоре I в другом масштабе определит вектор Фя. Результирующий магнитный поток создается действием потока полюсов Фт и потока реакции якоря Фя и может быть представлен геометрической суммой этих магнитных потоков.

Билет №8.

1. Дайте определение резонанса в электрических цепях. Приведите примеры резонансных явлений, наблюдаемых и используемых на практике. В каких цепях возможен резонанс? Какие виды резонанса вы знаете? В каких цепях возможен резонанс токов.

Резонанс – явление в электрической цепи (или на ее участке), содержащей индуктивные и емкостные элементы (хотя бы по одному), возникающее в случае, когда реактивное сопротивление или реактивная проводимость этой цепи (или ее участка) равны нулю.

При резонансе в цепи (или на ее участке) напряжение и ток совпадают по фазе, а реактивная мощность равна нулю.

Представим эл. цепь в виде пассивного двухполюсника.

Согласно закону Ома в комплексной форме эквивалентное комплексное сопротивление цепи:

,

а эквивалентная проводимость.В соответствии с определением резонанс в цепи возникает при условии, если Хэ=0 или Вэ=0, при этом Zэ=Rэ и Yэ=Gэ являются чисто активными, а сдвиг фаз.Различают резонанс напряжений при последовательном и резонанс токов при параллельном соединении R, L и C.

Резонанс напряжений. При последовательном соединении элементов с R, L и C ток в цепи .ХL=XC=>X= ХL-XC=0 и Z=R – минимально. Тогда значение тока в цепи максимально при U=const и R=const.Напряжения на индуктивном и емкостном элементах в комплексной форме UL= -UC, а действующие значения равны, т.к. UL=XLI=XCI=UC. СледовательноТ. о., напряжения на индуктивном и емкостном элементах могут превышать напряжение сети в ХL/R раз, если ХL>R. Сдвиг по фазе между напряжениями UL и UC равен π, т.е. эти напряжения находятся в противофазе.

Такой режим цепи при последовательном соединении элементов с R, L и C, когда ХL=XC, а напряжения на индуктивном UL и емкостном UC элементах, находящиеся в противофазе, равны по значению и могут превышать напряжение всей цепи, носит название резонанса напряжений.

Векторная диаграмма для режима резонанса напряжений.

I

Из уравнения равенства значения реактивной составляющей можно вывести след-щие соотношения:

ρ – полное волновое сопротивление.

Резонанс токов. В электрической цепи при параллельном соединении ветвей с R (G), L (BL) и C (BC) ток определяют:

,где Y – комплексная электрическая проводимость.

Y=G, т.к. B=BL-BC=0, а ток в неразветвленной части цепи равен I=GU и имеет минимальное значение и только активную составляющую I=Ia. Следовательно, cosφ=1. Токи в ветвях с проводимостями BL и BC:

,т. е. равны по значению и могут превышать ток I в цепи в BL/G раз, если BL=BC>G. 

Режим цепи при параллельном соединении элементов с R, L и C, когда BL=BC, а токи IL и IC в ветвях с реактивными проводимостями равны по значению и могут превышать ток I цепи, называют резонансом токов.

Векторная диаграмма для режима резонанса токов.

                                               Для этого режима характерно:

                                        IL=IC>I, если BL=BC>G; I=Imin; φ=0, cos φ=1; P=UIcos φ=UI=S, QL=BLU2>0, QC=BCU2>0, Q=QL-QC=0.

                                   При резонансе токов рассматриваемая цепь ведет себя по отношению к источнику питания так, будто она состоит только из элементов с активной проводимостью.

                    Включение конденсаторов параллельно активно-индуктивной нагрузке и приведение всей схемы к режиму резонанса или режиму, близкому к нему, один из распространенных способов повышения косинуса фи и сокращения потребления тока из сети.

2. На какие номинальные значения тока и напряжения рассчитаны измерительные трансформаторы?

Схемы подключения вольтметра и амперметра к измерительным приборам.

В электроустановках переменного тока большой мощности и напряжением выше 1 кВ непосредственное включение электроизмерительных приборов невозможно, т.к. номинальные значения тока и напряжения приборов не соответствуют номинальным значениям тока и напряжения электроустановок. Для расширения пределов измерения приборов и изоляции их от цепей высокого напряжения применяют измерительные трансформаторы: трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Мощность измерительных трансформаторов составляет от пяти до нескольких сотен вольт-ампер. 

Трансформатор тока используют для расширения пределов измерения амперметров и последовательных обмоток ваттметров, счетчиков энергии и фазометров. Его первичную обмотку включают последовательно в ту цепь, ток в которой надо измерить. Трансформаторы тока имеют стандартные номинальные первичные токи от 5 до 15000 А при номинальном вторичном токе 5 А (у некоторых трансф-в при токе 1 А). Поэтому ко вторичной обмотке следует присоединять приборы, номинальный ток которых равен 5 А. Некоторые типы лабораторных транф-в тока изготовляют на несколько значений номинальных первичных токов, в том числе и на токи, меньшие 5 А. Это необходимо тогда, когда измеряемые токи настолько малы, что не могут быть измерены прибором, предел измерения которого равен 5 А. В этом случае трансф-ры работают как повышающие, т.е. измеряемый ток увеличивается с их помощью.

Трансформаторы напряжения применяют в сетях высокого напряжения для измерения напряжения и частоты. К вторичной обмотке подключают вольтметры, частотомеры и параллельные обмотки ваттметров, счетчиков и фазометров, т.е. обмотки, имеющие большое сопротивление. Поэтому для трансформаторов напряжения нормальным режимом является режим холостого хода. Трансформаторы напряжения конструктивно мало отличаются от обычных силовых трасф-в. Они имеют небольшую мощность и включаются в сеть так же, как и обычные трансф-ры. Вторичная обмотка заземлена. Коэффициент трансформации выбирают таким, чтобы вторичное напряжение было равно 100 В.

Для измерения тока амперметр включают в цепь последовательно. Чтобы он оказывал меньшее влияние на параметры цепи, сопротивление его должно быть небольшим. При измерении токов свыше 10 А применяют приборы с наружным шунтом, падение напряжения на котором составляет 75 мВ и который присоединяют к амперметру калиброванными проводами. 

Для измерения напряжения на каком-либо участке цепи вольтметр включают параллельно этому участку. Чтобы не произощло заметного изменения параметров цепи и увеличения тока в ее неразветвленной части, сопротивление вольтметра должно быть большим. Для расширения пределов измерения прибора последовательно с вольтметром включают добавочный резистор Rд. Для расширения пределов измерния для ампреметров применяют трансформаторы тока, а для вольтметров – трансформаторы напряжения.

Схема включения амперметра и вольтметра с помощью измерительных трансформаторов.

При применении измерительных трансформаторов необходимо следить, чтобы их нагрузка не превосходила номинальных значений, указанных в паспорте. Для обеспечения более высокой точности измерений выбирают измерительные трансформаторы с классом точности выше, чем класс измерительных приборов.

3. Пуск АД введением добавочного сопротивления в цепь статора. Пусковые ток и момент. Улучшение пусковых свойств АД. Глубокопазный асинхронный двигатель.

U1

Этот способ применяют только для двигателей с фазным ротором. Трехфазный пусковой реостат включают последовательно с обмоткой ротора через щетки и кольца.

            В результате сопротивление цепи ротора увеличивается, а пусковой ток ротора:уменьшается и, следовательно, уменьшается пусковой ток двигателя.

Сопротивление пускового реостата Rп’ можно подобрать таким, что пусковой момент будет равен максимальному (Мп=Мmax). Для этого необх-мо, чтобы sкр=1. Получаем: 

,Откуда сопротивление пускового реостата, приведенное к обмотке статора:Rп’=Хк-R2’ .При вкючении пускового реостата сопротивлением Rп1’=Rп’ двигатель трогается с места при Мп=Мmax. По мере того, как увеличивается частота вращения двигателя, сопротивление пускового реостата уменьшают. Этому соответствует переход на новую механическую хар-ку. Когда пусковой реостат полностью, разгон двигателя заканчивается в соответствии с естественной хар-кой. Такое изменение сопротивления пускового реостата обеспечивает условия разгона двигателя при моментах, близких к максимальному, благодаря чему сокращается время пуска. Это особенно важно, когда пуск двигателя осуществляют под нагрузкой.

Асинхронные машины с фазным ротором сложнее по конструкции и дороже двигателей с короткозамкнутым ротором. Но в связи с тем, что при пуске они могут развивать максимальный момент, их применяют в установках с тяжелыми условиями пуска (подъемные краны, лебедки).

Улучшение пусковых характеристик. Из-за большого пускового тока и малого пускового момента мощность двигателя с короткозамкнутым ротором, для которого применим прямой пуск, ограничена. Из анализа механических характеристик видно, что при увеличении сопротивления обмотки ротора пусковой момент увеличивается. Но чтобы такое увеличение сопротивления обмотки ротора иметь только на момент пуска, пазы ротора делают глубокими. Такие двигатели называют глубокопазными. Магнитный поток рассеяния, создаваемый током ротора (током в отдельном стержне), стремиться замкнуться по пути с наименьшим магнитным сопротивлением. Проводник обмотки ротора можно представить состоящем из отдельных элементарных плоских проводников, расположенных друг над другом по высоте фазы. Т.к. в момент пуска частота тока ротора равна частоте тока статора, то элементарные проводники, расположенные внизу паза, сцеплены с большим потоком рассеяния большой частоты. Их индуктивное сопротивление в связи с этим настолько велико, что ток в них очень мал. Почти весь ток вытесняется в верхние слои проводника фазы ротора. Это эквивалентно уменьшению сечения проводника,  а следовательно, увеличению его активного сопротивления, что приводит к увеличению пускового момента. По мере разгона двигателя частота тока ротора уменьшается и при номинальной частоте вращения достигает 1-3 Гц. При такой частоте индуктивное сопротивление нижних слоев проводника уменьшается, что позволяет получить достаточно высокий КПД двигателя в рабочем режиме. Глубокопазные двигатели обычно имеют мощность не менее 120-150 кВт. 

Для улучшения пусковых характеристик применяют также ротор с 2-мя короткозамкнутыми обмотками. Одну из обмоток располагают ближе к поверхности ротора. Ее выполняют из проводников меньшего сечения(из марганцовистой латуни или бронзы). Вторая(внутренняя) обмотка имеет большее сечение, и ее стержни изготовляют из меди. Т.о., активное сопротивление наружной обмотки больше, чем сопротивление внутренней обмотки. Каждая из обмоток создает свой вращающий момент, а  их сумма равна вращающему моменту двигателя. Картина магнитного потока рассеяния такая же, как у двигателя с глубоким пазом.

Двигатели с улучшенными пусковыми хар-ками имеют несколько меньший коэффициент мощности, т.к. углубление паза(или рабочей обмотки) увеличивает поток рассеивания и индуктивное сопротивление ротора.