Трехфазные силовые трансформаторы

У трехфазных трансформаторов (рис. 11) магнитопровод 1 выполняют трехстержневым.

Рис. 11

На каждом стержне уложены по две обмотки первичная - 2 и вторичная - 3. Одна обмотка выполняется проводом большего сечения с меньшим числом витков (обмотка низшего напряжения), другая - проводом меньшего сечения с большим числом витков (обмотка высшего напряжения).

Обмотки трансформатора могут соединяться между собой по схемам «звезда» или «треугольник». Магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, служащим для лучшей изоляции обмоток и их охлаждения.

К-коэффициент трансформации показывает во сколько раз повышается или понижается напряжение на вторичной обмотке относительно первичной. Бывают понижающие и повышающие трансформаторы (зависит от соотношения числа витков обмоток).

Силовые трансформаторы трехфазной эл. сети обычно имеют магнитопровод с разветвленной системой. В конструкции таких трансформаторов обычно предусматривается система охлаждения трансформаторным маслом, циркулирующим по трубам.

Автотрансформаторы

В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору: на стальном магнитопроводе помещаются две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного се­чения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки обра­зуют общую обмотку высшего напряжения. Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора.

Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжения автотрансформато­ра имеется не только магнитная, но и электрическая связь.

Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на рис. 6.6. Первичное напряжение подведено к зажи­мам первичной обмотки с числом витков w₁. Вторичной обмоткой является часть первичной с числом витков w ₂.

Обмотка трансформатора выполнена изолированным проводом в один слой. На участках обмотки, которых касается подвижный контакт с угольной вставкой, изоляция очищена. При перемещении контакта угольная вставка закорачивает виток провода. Однако вследствие небольшого напряжения на одном витке и заметного сопротивления угольной вставки через замкнутый виток протекает допустимый ток.

Первичная обмотка автотрансформатора является частью его вторичной обмотки и поэтому между первичной и вторичной обмоткой трансформатора имеется гальваническая связь. Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжения автотрансформато­ра имеется не только магнитная, но и электрическая связь. К вторичной обмотке автотрансформатора нельзя непосредственно подключать потребители, один из проводов которых может оказаться соединенным с землей. Такое подключение приведет к аварии или несчастному случаю. При работе с автотрансформатором запрещается заземлять вторичную цепь.

Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором той же полезной мощности является меньший расход активных материалов — обмоточного провода и стали, меньшие потери энер­гии, более высокий к. п. д., меньшее изменение напряжения при изменении нагрузки.

Наряду с преимуществами автотрансформаторов перед транс­форматорами они имеют существенные недостатки: малое сопро­тивление короткого замыкания, что обусловливает большую крат­ность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения из-за электрической связи между этими сетями. Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применение автотрансформатора в том случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устрой­ствах).

Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем силь­нее, чем коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах

трансформации (К=1…2).

В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформа­торы, обмотки которых обычно соединяются звездой.

Магнитные пускатели

Магнитные пускатели предназначены для дистанционного управления трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором и другими приемниками энергии. Включение магнитных пускателей может производиться вручную с помощью кнопочного поста и автоматически с помощью датчиков автоматики непосредственно или через промежуточные реле, с помощью блок-контактов других пускателей. Отключение пускателей производится вручную или при аварийных режимах с помощью реле тепловых или реле максимального тока, при отключении сблокированных с ними других пускателей, при действии устройств автоматики. Как правило, магнитные пускатели содержат в себе элементы тепловой защиты потребителя или сети потребителя - тепловые реле. Нажатием кнопки в магнитном пускателе запитывается электромагнит, который, втягивая сердечник, приводит к соприкосновению основные контактные пары трехфазной сети. Магнитные пускатели выполняются обычно в виде компактной пластмассовой коробки, имеющей клеммы для подключения проводов. Тепловые реле предназначены для защиты от перегрузок асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Так как они не защищают от коротких замыканий и сами нуждаются в такой защите, то на ответвлении к электродвигателю перед пускателем ставится автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем.

Чувствительным элементом у теплового реле служит термобиметалл, по которому проходит ток. У реле на большие токи имеется нихромовый нагреватель для дополнительного нагрева биметалла.

Чувствительные элементы реле включаются в две фазы электродвигателя, контакты реле включаются в цепь катушки пускателя.

Электромагнитные реле

Это устройства, предназначенные для обеспечения большого числа коммутаций в различных цепях одновременно, при срабатывании одного электромагнита. Применяются в различных электротехнических установках. Контакты в реле бывают нормально замкнутые и нормально разомкнутые. На схемах нормально замкнутые контакты изображают:

Нормально разомкнутые:

На рисунке показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа. При определенной магнитодвижущей силе (МДС) в цепи управления возникающая сила F притяжения якоря З к ярму 1 превышает силу противодействующей пружины 2. Воздушный зазор уменьшается. Клапан 4 нажимает на подвижный контакт 5 и прижимает его с силой F к неподвижному контакту 6. Управляемая цепь замыкается. Исполнительный элемент 7 производит требуемое действие.

Контакты реле в исходном положении могут быть как разомкнуты, так и замкнуты. В последнем случае при срабатывании реле они размыкаются. Действие каких-либо устройств прекращается. Многие реле имеют несколько контактных пар. Тогда их используют для управления несколькими электрическими цепями.

Электрические машины

Электрическая машина является электромеханическим преобразователем, в котором преобразуется механическая энергия в электрическую или электрическая энергия в механическую, т.е. устройство, работающее как генератор или как двигатель. Электрическая машина состоит из не вращающейся части – статора и вращающейся – ротора.

Электродвигатель это устройство, преобразующие электроэнергию в непрерывную механическую - вращательное движение. (Бывают и линейные электродвигатели).

В зависимости от рода отдаваемого или потребляемого тока электрические машины разделяются на машины переменного и постоянного тока. Машины переменного тока делятся в основном на: синхронные, асинхронные.

Синхронные машины применяются в качестве генераторов и двигателей.

В асинхронной машине поле создается в обмотке статора и взаимодействует с током, наводимым в обмотке ротора. Асинхронные машины применяются в основном в качестве двигателей.

Машина постоянного тока по своему конструктивному выполнению сходна с обращенной синхронной машиной, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения — на статоре. Большинство машин постоянного тока коллекторные. Они могут работать в качестве генераторов или двигателей.

Основные характеристики двигателей

Мощность (Р), обычно указывается активная мощность - Р(кВт);

nоб - число оборотов двигателя

nс – синхронная частота вращения двигателя (частота вращения магнитного поля в статоре связана с частотой переменного тока50Гц).

n_р - фактическая частота вращения ротора двигателя. Бывает, как правило, меньше синхронной частоты.

ПВ – продолжительность включения. Бывают устройства, в которых отдельные двигатели работают не постоянно, а короткое время, включаясь и выключаясь несколько раз в течение часа работы машины (например, механизм передвижения башенного крана). Для этих целей целесообразно использовать более дешевый электродвигатель, спроектированный на определенную небольшую продолжительность непрерывной работы (15%, 25%, 40% и т.д).

ПВ =(tр/tц) *100%; tр – время работы; tц – время цикла.

Качественной характеристикой двигателя, описывающей особенности работы двигателя, является «механическая характеристика». Она указывает, как работает двигатель под нагрузкой. Механическая характеристика может быть представлена графиком зависимости частоты вращения ротора электродвигателя от механической нагрузки – крутящего момента от нагрузки на валу двигателя.

nвр. – частота вращения.

n вр.

Мкр.нагр. –крутящий момент нагрузки.

На графике показаны: - абсолютно жесткая (а.ж.) характеристика (когда обороты двигателя под нагрузкой не меняются);

- жесткая (ж.) (когда обороты двигателя под нагрузкой уменьшаются линейно);

- мягкая (м.) (когда обороты двигателя под нагрузкой существенно уменьшаются по нелинейному закону).

Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели по конструкции бывают: – с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым роторам отличаются простотой и надежностью (в них отсутствуют трущиеся контактные пары). Недостатки таких двигателей: большие пусковые токи (в момент включения скачок тока больше в 5-7 раз, чем установившейся ток) и пусковые крутящие моменты; проектируются двигатели, как правило, на одну частоту вращения ротора.

Конструктивно двигатель содержит: в статоре равномерно распределенные по его окружности обмотки фаз системы трехфазного тока, обеспечивающие при работе вращающееся магнитное поле; ротор таких двигателей состоит из медных стержней, размещенных по окружности, с торцов соединенных (замкнутых друг с другом) электропроводящими кольцами. По виду такой ротор напоминает беличью клетку (см. рис.)

Бывают конструкции и с наклонным расположением стержней относительно образующей цилиндра.

Схема асинхронной машины показана на рисунке. В схеме асинхронной машины и ее принципе действия есть сходство с трансформатором. Отличие заключается в том, что вторичная обмотка размещается на вращающемся роторе и не связана с внешней сетью. На схеме рис.12 - а) эта обмотка состоит из стержней, замкнутых накоротко, что соответствует двигателю с короткозамкнутым ротором, а в двигателях с фазным ротором она соединяется с внешними сопротивлениями — рис.12 - б).

Рис. 12. Схемы асинхронной машины:

а) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; 6) асинхронный двигатель с фазным ротором; 1 — обмотки статора, 2 — ротор с короткозамкнутыми стержнями, 2 — обмотки фазного ротора, 3 — контактные кольца, 4— сопротивления в цепи фазного ротора.

Обмотка статора равномерно распределена по его окружности. Обмотки фаз статора соединяются в звезду или в треугольник.

Двигатель работает следующим образом: система трехфазного тока, подводимая к обмоткам статора, создает в нем вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле, перемещаясь, будет индуцировать в стержнях ротора электрический ток. Этот ток будет вызывать вокруг стержней свое магнитное поле. Оно будет взаимодействовать с магнитным полем в статоре, и будет заставлять ротор следовать за ним, т. е. вращаться. Магнитное поле в стержнях будет «догонять» магнитное поле в статоре.

В таких двигателях синхронности не достигается, в нем присутствует отставание скорости вращения ротора от скорости вращения поля в статоре.

Таким образом, трехфазный ток проходя по трем обмоткам сдвинутым в пространстве на 120° образует синхронно вращающееся магнитное поле. Синхронная частота вращения поля определяется частотой тока в сети:

[об/мин],

где f - частота изменения тока, Гц;

p - число пар полюсов обмотки статора, которое определяется его конструкцией.

Учитывая, что частота тока равна 50 Гц, определим синхронные частоты вращения магнитного поля для различного числа пар полюсов р двигателя:

р
n1, об/мин

Т.о. изменяя число пар полюсов р можно дискретно изменять частоту вращения магнитного поля статора. Промышленностью выпускаются многоскоростные двигатели, в которых предусмотрена возможность переключения числа пар полюсов.

Асинхронные двигатели характеризуются синхронной частотой статора – nс. Чтобы выпускать двигатели с другой синхронной частотой они должны конструироваться с большим числом пар полюсов – т.е. обмоток в статоре, кратных трем.

Отставание частоты вращения ротора (n_p) в асинхронном двигателе от синхронной частоты вращения магнитного поля в статоре (nс) оценивается параметром S –скольжением.

S = (nс – nр) *100%/nс; S -скольжение, составляет величину от 1,5 до 7% и зависит от нагрузки на валу двигателя .

Трехфазные асинхронные двигатели с фазным роторам. Эти двигатели характеризуются меньшими пусковыми моментами и токами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. У них есть возможность некоторого плавного регулирование скорости вращения. Они применяются в механизмах, в которых опасна динамика (рывки) в момент включения.

По устройству двигатель с фазным роторам и принципу действия аналогичен двигателю с коротко замкнутым. Отличие: ротор конструируется не в виде «беличьей клетки», он содержит в себе систему трех обмоток, которые замыкаются через систему контактных пар не накоротко, а через переменные сопротивления (потенциометры – см. рис.).