Тема 1.6. Машины переменного тока

Назначение трансформаторов и их применение. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Параметры, характеризующие работу трансформатора: ЭДС обмоток, коэффициент трансформации, величина токов в обмотках. Режим холостого хода и работа трансформатора под нагрузкой. Потери энергии и КПД трансформаторов. Понятие о трехфазных, измерительных и сварочных трансформаторах.

Назначение машин переменного тока. Асинхронные электродвигатели. Получение вращающегося магнитного поля в трехфазных асинхронных двигателях. Статор двигателя и его обмотки. Устройство короткозамкнутого и фазного ротора. Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя. Частота вращения магнитного поля статора. Скольжение ротора. Вращающий момент асинхронного двигателя. Механическая характеристика. Пуск в ход асинхронного двигателя при помощи магнитных пускателей. Принцип работы магнитного пускателя.

Методические указания

Трансформаторы. Трансформатором называют статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Простейший трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала и двух обмоток, расположенных на стрежнях магнитопровода.

Действующие значения электродвижущих сил, наводимых в первичной и во вторичной обмотках, определяют по формулам:

где Е₁ и Е₂ – ЭДС первичной и вторичной обмоток, В; f – частота переменного тока, Гц; Ф_m – амплитудное значение магнитного потока, Вб; ω₁ и ω₂ - число витков первичной и вторичной обмоток.

Отношение ЭДС обмоток, равное отношению чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации:

КПД трансформатора при номинальной нагрузке определяется отношением активных мощностей на выходе и входе трансформатора:

где Р₂ – активная мощность, потребляемая нагрузкой трансформатора, Вт; Р₁- активная мощность, поступающая в обмотку из сети, Вт; Р_к и Р_х– потери мощности при коротком замыкании и холостом ходе, Вт; Р_э1 и Р_э2 - электрические потери в первичной и вторичной обмотках, Вт.

Коэффициент полезного действия трансформатора при любой нагрузке определяют по формуле:

где β=I₂/I_2ном – коэффициент нагрузки, определяемый как отношение тока во вторичной обмотке к номинальному току вторичной обмотки; S_ном = U_1номI_1ном – полная мощность, потребляемая трансформатором при номинальной нагрузке, В·А; cosφ₂ – коэффициент мощности вторичной обмотки.

Асинхронные электродвигатели. В основе их работы лежит образование вращающегося магнитного поля при протекании трехфазного тока по обмоткам неподвижной части машины – статора. Частота вращения магнитного поля n₁,мин^-1

где f – частота переменного тока в сети, Гц; р – число пар полюсов в обмотке.

Ротор асинхронного двигателя вращается с частотой n₂, мин^-1, которая в реальных условиях не может достичь частоты вращения магнитного поля статора.

Скольжение s – это отношение разности между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора машины переменного тока к частоте вращения магнитного поля:

Активная мощность, потребляемая двигателем из сети:

где U_1ф – фазное значение напряжения, В; I_1ф – Фазное значение тока, А; U₁ – линейное значение напряжения, В; I₁ – линейное значение тока, А; cosφ – угол сдвига фаз между током и напряжением (коэффициент мощности).

Полезная мощность на валу двигателя:

где Р_1э – электрические потери в статоре, Вт; Р_2э - электрические потери ротора, Вт; Р_1м - потери в стали статора, Вт; Р_2м - магнитные потери ротора, Вт; Р_мх – механические потери, Вт; Р_д - дополнительные потери, Вт.

Важным вопросом темы является вращающий момент асинхронного двигателя М, Н·м, который определяет способность двигателя приводить во вращение рабочую машину:

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое трансформатор? В чем его назначение?
2. устройство и принцип действия трансформатора.
3. Каково назначение магнитопровода трансформатора?
4. от чего зависят электрические и магнитные потери трансформатора?
5. Каким образом можно повысить КПД трансформатора?
6. Что называется коэффициентом трансформации?
7. Объясните принцип действия асинхронного двигателя.
8. От чего зависит вращающий момент асинхронного двигателя?
9. Изобразите рабочие характеристики асинхронного двигателя.
10. Что такое скольжение?
11. Как изменить направление вращения трехфазного асинхронного двигателя?
12. Почему пусковой ток асинхронного двигателя значительно превышает его номинальный ток?
13. Какие способы запуска асинхронных двигателей Вы знаете?
14. Каково назначение магнитных пускателей?

Литература: [1] §7.1 – 7.7, 8.1 – 8.11

Лабораторная работа №5 «Испытание однофазного трансформатора»

Литература: [2]с.79-85

Лабораторная работа №6 «Испытание трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»

Литература: [2]с.96-101