Принцип действия и устройства трансформатора

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Принцип действия и устройства трансформатора

Трансформатор не является Э.М., так как его работа не связана с преобразованием механической энергии в электрическую или наоборот.

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при работе Э.М.. Простейший трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала, и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода.

СХЕМА

Обмотка, присоединенная к источнику переменного тока на напряжение U₁, называется первичной.

Обмотка, к которой присоединяется нагрузка Z_н, называется вторичной.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом. Мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод трансформатора служит для усиления связи между обмотками. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в ней протекает переменный ток ί₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС. В первичной обмотке - ЭДС самоиндукции

е₁

Во второй обмотке – ЭДС взаимоиндукции

е₂=-W ₂

W₁,W₂ – число витков первичной и вторичной обмоток.

ЭДС е₁ и е₂ отличаются друг от друга лишь за счет числа витков, поэтому, применяя обмотки с различным соотношением чисел витков, можно изготовить трансформатор на любое соотношение напряжений.

Если W₁ больше W₂, то, U₁ больше U₂ – трансформатор понижающий

Если W1 меньше W₂, то, U₁ меньше U₂ – трансформатор повышающий.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН). Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более низким напряжением называют обмоткой низшего напряжения (НН).

Трансформаторы обладают свойством обратимости, то есть один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего или понижающего трансформатора.

Классификация трансформаторов

Их классифицируют по нескольким признакам:

1) По назначению:

- Трансформаторы общего назначения (силовые)

- Трансформаторы специального назначения.

Силовые трансформаторы общего назначения применяются в линиях передач и распределении электроэнергии. Трансформаторы специального назначения разнообразны по рабочим свойствам и конструктивному исполнению. К ним относятся: печные трансформаторы, сварочные, трансформаторы для устройств автоматики, измерительные трансформаторы и др.

2) По виду охлаждения:

-трансформаторы с воздушным охлаждением (сухие трансформаторы)

- трансформаторы с масляным охлаждение (масляные трансформаторы)

3) По числу трансформирующих фаз:

- однофазные

- трехфазные

4) По форме магнитопровода:

- стержневые

- броневые

- бронестержневые

- тороидальные

5) По числу обмоток на фазу:

- 2-х обмоточные

- 3хобмоточные

- многообмоточные

Конструкции трансформаторов

Магнитопроводы

а) стержневые

СХЕМА

б) броневые

СХЕМА

Однофазный броневой трансформатор имеет один стержень и два ярма, закрывающих и как бы бронирующих обмотки сверху и по бокам.

Трехфазный броневой трансформатор получается из трех однофазных, если поставить их друг на друга.

Магнитный поток в стержне магнитопровода броневого типа в 2 раза больше чем в ярме, поэтому сечение стержня вдвое больше, чем сечение ярма.

Для силовых трансформаторов применяются преимущественно стержневые магнитопроводы. Магнитопроводы броневого типа применяют в радиотрансформаторах.

В силовых трансформаторах мощностью свыше 100 МВА и напряжением 220 кВ и выше применяют бронестержневую или многостержневую конструкцию магнитопровода. Эта конструкция получается из стержневой, если добавить по краям 2 стержня, закрывающих обмотки.

Бронестержневые магнитопроводы имеют меньшую высоту, чем стрежневые за счет толщины ярма. Так как поток в ярме бронестержневого магнитопровода меньше, чем в стержневом, оно имеет меньшее сечение.

Магнитопровод трансформатора состоит из стальных листов толщиной 0,3, 0,35, 0,5мм, покрытых изоляционным лаком. Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением уменьшить вихревые токи и, следовательно, уменьшить величину потерь энергии в магнитопроводе.

По способу соединения стержней с ярмами магнитопроводы делятся на:

- стыковые

- шихтованные

В стыковых конструкциях стержни и ярма собираются отдельно, а в местах стыков ставятся изоляционные прокладки, которые устраняют замыкание листов стали стержней и ярм. Эти немагнитные зазоры увеличивают магнитное сопротивление, что приводит к увеличению потерь в магнитопроводе. Поэтому стыковые соединения применяются редко, несмотря на простоту сборки.

В шихтованных магнитопроводах стальные листы стержней и ярм переплетаются или шихтуются друг с другом в смежных слоях

СХЕМА

Магнитопровод собирается из отдельных слоев, каждый из которых состоит из одной или нескольких пластинок. При сборке трансформаторов сначала собирается магнитопровод, затем расшихтовывается ярмо, надеваются на стержни обмотки, затем ярмо вновь зашихтовывается. У электротехнической стали, из которой изготавливаются магнитопроводы, магнитные свойства вдоль направления прокатки лучше чем поперек, поэтому при шихтованной конструкции в местах поворота листов на 90 градусов появляются зоны несовпадения направления прокатки с направлением магнитного потока, в этих местах увеличивается магнитное сопротивление, поэтому для уменьшения потерь применяют пластины со скошенными краями.

СХЕМА

Поперечное сечение магнитопровода имеет ступенчатую форму, его стремятся приблизить к кругу.

СХЕМА

Число ступеней зависит от диаметра стержня. Сечение ярма выполняют с меньшим числом ступеней. Скрепляют пакеты стержней с помощью стеклоленты. Для скрепления ярма на него с двух сторон накладывают деревянные или стальные балки и на концах стягивают шпилькой. Магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют. Для этого применяют медные ленты.

Обмотки

Чаще всего обмотки выполняются из медных проводов, так как медь обладает наилучшим удельным сопротивлением. Основой обмотки является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся рейки, угловые шайбы и другие элементы, обеспечивающие обмотке механическую и электрическую прочность. По взаимному расположению на стержнях обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся.

Концентрические выполняют в виде цилиндров, размещенных на стержне концентрически

СХЕМА

Ближе к центру располагается обмотка низшего напряжения, так как она требует меньшей изоляции от стержня.

Чередующиеся обмотки выполняют в виде отдельных дисков низшего напряжения и высшего напряжения и располагают на стержне в чередующемся порядке. Чередующиеся обмотки применяются редко, только в трансформаторах специального назначения.

Концентрические обмотки разделяют на несколько типов:

- цилиндрические

- винтовые

- непрерывные

Цилиндрическая обмотка может быть однослойной или многослойной. Каждый слой обмотки наматывается по винтовой линии.

Винтовые обмотки также наматываются по винтовой линии, каждый виток может состоять из нескольких параллельных проводников, расположенных в радиальной плоскости. При этом различные проводники одного витка оказываются на разных расстояниях от стержня, поэтому они сцепляются с различными потоками рассеяния и в них наводятся разные ЭДС. Следовательно, в параллельных проводниках будут протекать разные токи. Для того, чтобы все проводники одинаково нагружались током, выполняют транспозицию (перекладку проводников). При транспозиции стремятся, чтобы в пределах одного витка каждый проводник поочередно занимал все положения от внутреннего до наружного. Обмотки бывают одноходовыми и многоходовыми. Многоходовые состоят из нескольких винтовых обмоток, вмотанных одна в другую.

Непрерывные обмотки состоят из отдельных дисковых обмоток, намотанных по спирали и соединенных между собой без пайки, то есть выполненных непрерывно. Несмотря на сложность изготовления, непрерывная обмотка получила наибольшее применение в силовых трансформаторах, так как они имеют большую механическую прочность и надежность.

При наматывании обмоток в них оставляют вертикальные и радиальные каналы для охлаждения, для этого используют специальные рейки и прокладки.

Важной частью обмоток являются регулировочные ответвления и выводные концы. Регулировочные ответвления выполняются у первичных обмоток. Они позволяют, изменяя число витков первичной обмотки, регулировать напряжение во вторичной. Соединение концов обмоток между собой и с вводами, подключение регулировочных ответвлений к переключателям и другие соединения внутри трансформатора осуществляются с помощью проводников, называемых отводами. Их изготавливают из шин, прутков или гибкого кабеля.

Для вывода концов обмоток и подключения к электрической сети служат вводы (фарфоровые проходные изоляторы, внутри которых проходит токоведущий стержень).

Охлаждение трансформаторов

При работе трансформатор сильно нагревается, поэтому его необходимо охлаждать. Трансформаторы могут быть с масляным или воздушным охлаждением.

Трансформаторы с масляным охлаждением.

Магнитопровод помещён в бак, наполненный трансформаторным маслом.

Трансформаторное масло, омывая обмотки и магнитопровод, отбирает у них тепло и через стенки бака отдает его в окружающую среду. Форма бака – овальная. Тогда она приближается к форме активной части трансформатора и является более простой и механически прочной. Бак должен быть герметично уплотнен, так как проникновение в него влаги из атмосферы вызывает снижение электрической прочности масла, может привести к короткому замыканию.

В трансформаторах мощностью до 30кВА применяют баки с гладкими стенками, у более мощных трансформаторов для увеличения поверхности охлаждения стенки бака делают ребристыми. С увеличением мощности трансформатора это мероприятие оказывается недостаточным и приходится увеличивать поверхность охлаждения, присоединяя к баку многорядные трубчатые охладители, в которых циркулирует трансформаторное масло.

В трансформаторах мощностью свыше 3200кВА применяется разветвленная радиаторная система охлаждения и дополнительный обдув радиаторов с помощью вентиляторов. Это позволяет увеличить номинальную мощность трансформаторов на 30%. При изменении температуры объём масла в баке изменяется. Для компенсации объёма масла у трансформаторов малой мощности оставляют воздушную прослойку вверху бака. На более мощных трансформаторах устанавливают расширители. Расширитель представляет собой мелкий сосуд цилиндрической формы. Он устанавливается на крышке бака и сообщается с баком. При этом бак доверху наполнен маслом и колебания уровня происходят не в баке, а в расширителе.

При коротком замыкании в трансформаторе масло начинает разлагаться, и выделяется газ, который поднимается в расширитель. В трубе, соединяющий расширитель с баком устанавливают газовое реле. При значительном газообразовании газовое реле срабатывает и отключает трансформатор от сети.

При серьезной аварии, когда отключение трансформатора почему-либо запоздало, в баке может развиться высокое давление, способное разорвать бак. Для предотвращения этого на крышке трансформатора устанавливается выхлопная труба. Отверстие выхлопной трубы закрыто стеклянной мембраной. При резком повышении давления мембрана лопается, и избыточная масса газа и масла выбрасывается через трубу.

Мгновенные

Значения

ЭДС

,

- действующие значения ЭДС

Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к обмотке низшего напряжения называют коэффициентом трансформации

Хотя напряжение обмотки отличается от ЭДС на величину потери напряжения в обмотках, однако в практических расчетах коэффициент принимают равным отношению напряжений.

Помимо основного магнитного потока, который проходит в магнитопроводе, токи обмоток создают так же магнитные потоки рассеяния: Ф_б1, Ф_б2. Каждый их этих потоков сцеплен с витками лишь собственной обмотки и индуцирует в ней ЭДС рассеяния. Эти ЭДС равны:

, – индуктивности рассеяния

Комплексы действующих значений этих ЭДС равны

Т.е. в каждой обмотке трансформатора индуцируется 2 ЭДС: ЭДС от основного потока и ЭДС от потока рассеяния.

СХЕМА

Запишем уравнения по второму закону к-фа для первичной и вторичной цепи.

=

r₁ и r₂ активные сопротивления первичной и вторичной обмотки.

Z_н - сопротивление нагрузки

Напряжение на выводах второй обмотки равно падению напряжения на нагрузке.

U₂=I₂*Zн

Выразив из этих уравнений U₁ и U₂, получим уравнения напряжений трансформатора.

U₁=-E₁-E₂+I₁r₁; U₂=E₂+Er₂-I₂r₂

Уравнения МДС и токов

Если вторичная обмотка трансформатора разомкнута, то ток в ней = 0, то есть I₂=0. Такой режим работы трансформатора называется холостым ходом. При этом в первичной обмотке трансформатора протекает ток холостого хода I_o. МДС, созданная этим током, = Iо*W1. Эта МДС вызывает в магнитопроводе трансформатора основной магнитный поток, максимальное значение которого:

(1)

В этом уравнении R_м – магнитное сопротивление магнитопровода. При замыкании вторичной обмотки трансформатора на нагрузку Z_н в ней возникает ток I₂ . При этом ток в первичной обмотке увеличивается до значения I₁. Теперь поток Ф_max создается действием МДС:

1) I₁W₁

2) I₂W₂

Выражение для магнитного потока примет вид:

( ) (2)

Значение основного магнитного потока не зависит от нагрузки трансформатора, поэтому мы можем приравнять выражения (1) и (2)

( )

Разделив обе части уравнения МДС на число витков W₁, получаем уравнение токов трансформатора

I₂ – ток нагрузки, приведенной к числу витков первичной обмотки

Уравнение токов обычно записывается так:

I₁=I₀ – I₂

Приведенный трансформатор

Приведенным называют трансформатор, в котором все параметры вторичных обмоток приведены к числу витков первичной обмотки. Приведение параметров используется для построения векторной диаграммы и схемы замещения. Так как параметры первичной и вторичной обмоток в несколько раз отличаются друг от друга, то и векторы этих величин будут в несколько раз отличаться по длине. Поэтому для построения векторной диаграммы все параметры трансформатора приводят к одинаковому числу витков. Для приведения нужно ЭДС, напряжения, ток и сопротивление второй обмотки пересчитать на число витков первичной обмотки W₁. Уравнения для пересчета этих величин можно получить из условия равенства мощностей, МДС и потерь реального и приведенного трансформаторов. Для обозначения приведенных параметров к ним добавляют штрих.

Условия равенства мощностей первичной и вторичной обмотки:

следует =

cледует =

Равенство МДС

следует = =

Условие равенства потерь активной и реактивной мощности

= следует = =

= следует =

К – коэффициент тр-ции трансформатора

Уравнение напряжений и токов для приведенного имеет вид:

*

Опыт холостого хода

Холостым ходом называют режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке. В этом случае уравнения напряжения токов принимают вид:

Схема замещения, которая соответствует этим уравнениям:

СХЕМА

В опыте холостого хода, изменяя напряжение U₁измеряют напряжение U₂, мощность холостого хода Р_х и ток холостого хода I_о. Затем строят характеристики холостого хода. Это зависимость тока холостого хода, мощности и коэффициента мощности от напряжения U₁.

ГРАФИК

Для трехфазного трансформатора ток и напряжение измеряется в каждой фазе и затем находят средне арифметическое этих величин. Мощность холостого хода берется трехфазной.

Cos φ₀ определяют по формулам:

Cos φ₀ = для однофазного трансформатора

Cos φ₀ = для трехфазного трансформатора

Падение напряжения в первичной ветви схемы смещения, равное I_о(r₁+jx₁), составляет незначительную величину, поэтому им можно пренебречь и определить параметры ветви намагничивания по данным опыта:

Z₀ =

Z₀ = +

Для трехфазного трансформатора:

Мощность холостого хода Рх расходуется в основном на магнитные потери в стали магнитопровода, поэтому эту мощность называют потерями холостого ходаи потерями стали.

Опыт короткого замыкания

Короткое замыкание – это такой режим когда вторичная обмотка замкнута накоротко, причем вторичное напряжение U₂=0.

В этом опыте к обмотке высшего напряжения подводят пониженное напряжение. При этом магнитные потери имеют незначительную величину, поэтому ток намагничивания можно считать равным 0. I=0

Схема смещения трансформатора в режиме К.З.

СХЕМА

Этой схеме соответствует следующее уравнение.

В опыте К.З. изменяют напряжение U₁ и измеряют ток в первичной обмотке и мощность трансформатора. Затем строят характеристики К.З.

ГРАФИК.

У трехфазного трансформатора напряжение и ток определяют как среднее значение для трех фаз

Напряжение U₁ при проведении опыта изменяют от нуля до некоторого значения Uk, при котором токи в обмотках трансформатора становятся равными номинальным.

Это напряжение называется номинальным напряжением К.З.

Его обычно выражают в относительных единицах или в %:

С помощью данных, полученных в этом опыте, можно определить сопротивление трансформатора.

= *cos

Cos

Cos для трехфазного

Группы соединения обмоток

Векторы линейных ЭДС первичной и вторичной сторон трансформатора могут не совпадать по фазе. В однофазных трансформаторах сдвиг может быть 0° или 180°. В 3-х фазных трансформаторах сдвиг фаз может быть от 0° до 360° при этом сдвиг фаз всегда кратен 30°.

Для обозначения сдвига фаз вводится понятие «номер группы соединения обмоток». Для определения группы соединений векторы ЭДС совмещают со стрелками часов.

Вектор ЭДС обмотки высшего напряжения совмещают с минутной стрелкой, установленной на 12. Часовую стрелку совмещают с вектором ЭДС обмотки низшего напряжения. Цифра, на которую укажет часовая стрелка, соответствует номеру группы соединений. Если стрелка указывает на 12, то трансформатор имеет группу 0, т.к. сдвиг фаз между векторами =0.

В однофазном трансформаторе возможны только 2 группы соединений: 0 и 6. Группа 6 получается, если изменить направление обмотки низшего напряжения.

В 3-хфазных трансформаторах можно создать 12 групп соединений. Например:

1) Соединение РИСУНОК соответствует группе 0

2) Если поменять направление обмоток низшего напряжения и вместо зажимов х,у,z соединить в нулевую точку зажимы а,в,с – получается группа 6

3) Соединение РИСУНОК, соответствует группе 11

ГРАФИК

4) Если поменять местами начало и конец обмоток низшего напряжения соединяя - ∆, получается группа 5 (сдвиг фаз 150°)

Группы 0,6,11,5 называют основными. Из каждой основной группы изменением порядка чередования фаз можно получить по 2 производные группы.

от группы 0 получаются группы 4,8;

от группы 6 – группы 2,10;

от группы 11 – группы 3,7;

от группы 5 – 1,9.

В нашей стране стандартизированы следующие схемы и группы соединений обмоток.

СХЕМА

Автотрансформаторы

Автотрансформатором называется трансформатор, который кроме магнитной связи имеет электрическую связь между обмотками. Автотрансформатор имеет 2 обмотки. Обмотку 1 с числом витков W₁ и обмотку 2 с числом витков W₂. Обмотка 1 подключается к сети с низшим напряжением. Обмотка 2 подключается к обмотке 1. Таким образом, чтобы ee напряжение U₂ добавлялось в напряжение U и увеличивало его до напряжения U'.

СХЕМА

U' – напряжение сети ВН. В отличии от обычного трансформатора вторичная обмотка контактирует и с высшим напряжением, поэтому она должна быть рассчитана на наибольшее напряжение U и U_1. Изоляция этой обмотки должна выдерживать большое напряжение.

Коэффициент трансформации автотрансформатора:

Электромагнитные процессы в автотрансформаторе описываются с помощью уравнений напряжений и токов.

U₁= - E₁ + I₁Z₁

U₂=E₂ - I₂Z₂

I0=I₁ + I₂n₁₂

U'=U₁ + U₂

Мощность в автотрансформаторе из первичной сети во вторичную передается частично электрическим путем.

S =S_эм + S_эл

Размеры трансформатора определяются только той мощностью, которая передается электромагнитным путем. Поэтому автотрансформатор при равной передаваемой мощности получается значительно меньше по размерам и дешевле чем трансформатор. В тоже время удорожается изоляция вторичной обмотки, это удорожание окупается уменьшением размеров автотрансформаторов, если коэффициент трансформации его находится в пределах от 1 до 2-х.

Автотрансформаторы широко используются для питания бытовых электроприборов и устройств автоматического управления. Такие автотрансформаторы имеют мощность до 1000 ВА. Автотрансформаторы применяются также в высоковольтных сетях для связи между системами с близкими значениями напряжений. Например: 110 и 220 кВ или 220 и 500кВ, 330 и 750кВ. Мощность таких автотрансформаторов достигает сотен МВА.

Автотрансформаторы чаще применяются как однофазные 2-х и 3-х обмоточные трансформаторы, так и 3-х фазные 2-х и 3-х обмоточные трансформаторы. Они имеют следующие схемы и группы соединения обмоток.

СХЕМА

Однофазный 2-х обмоточный

Однофазный 3-х обмоточный

Трехфазный 2-х обмоточный

Буквами A_m, B_m, C_m обозначают выводы СН.

Недостатком автотрансформатора является очень большой ток к.з. При этом, чем ближе коэффициент трансформации к 1, тем больше токи к.з. При коэффициентах трансформации n>>1 автотрансформаторы могут быть опасны в отношении поражения электрическим током. При отсутствии заземления сети НН между проводами сети НН и землей появляется напряжение U'/2 за счет емкостных связей между проводами и землей. По этой причине применение автотрансформаторов при n>2 запрещено правилами техники безопасности.

Сварочные трансформаторы

Используются для электрической дуговой сварки. Один вывод вторичной обмотки трансформатора присоединяется к свариваемому изделию, 2-ой вывод к сварочному электроду. Между изделием и электродом возникает электрическая дуга, тепло которой расплавляет Me и позволяет выполнить «сварку плавлением». Сварочные трансформаторы понижают напряжение от 220 или 380В до 60-70В (это напряжение на х.х. трансформатора). В процессе сварки напряжение колеблется от максимального значения 60-70В до значений близких к 0. Сопротивление электрической дуги изменяется при перемещении руки сварщика. Если бы напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора незначительно зависело от нагрузки, как в обычном трансформаторе, то возникали бы резкие колебания тока во вторичной цепи и регулировать тепловыделение было бы невозможно. Поэтому сварочный трансформатор должен быть устроен так, чтобы при резком уменьшении сопротивления дуги ток в цепи увеличивался незначительно, произведение I²R, определяющее количество теплоты, оставалось бы на требуемом уровне.

Для ограничения тока увеличивают сопротивление вторичной обмотки трансформатора. При этом увеличивают не активное сопротивление обмотки, а индуктивное сопротивление рассеяния, так как увеличение активного сопротивления привело бы к возрастанию потерь энергии и к перегреву трансформатора.

Для регулирования величины сварочного тока величина индуктивности должна быть регулируемой. Индуктивное сопротивление рассеяния можно увеличить несколькими способами:

1. Увеличивают поток рассеяния. Для этого вводят в магнитопровод шунтирующий магнитопроводящий стержень, через него замыкается часть основного магнитного потока. Изменяя величину магнитного зазора в шунтирующем стержне, можно изменять магнитный поток рассеяния.

2. В цепь вторичной обмотки включают специальный дроссель с регулируемым воздушным зазором.

СХЕМА

3. Изменяют расстояние между первичной и вторичной обмотками. Благодаря увеличенному внутреннему сопротивлению сварочный трансформатор имеет крутопадающую внешнюю характеристику.

СХЕМА

Сварочный трансформатор выдерживает к.з., которые возникают при прикосновении электрода к сварочному шву. Как показывает внешняя характеристика, ток к.з. ограничен (до 500А). Вторичная обмотка рассчитана на длительное протекание такого тока. Мощность сварочных трансформаторов для ручной сварки до 30кВА, для автоматической сварки 100кВА и более. Для контактной электросварки выпускаются трансформаторы до 100 кВА при напряжении до 30В.

Вращающееся магнитное поле

Для преобразования энергии в машинах переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле можно создать двумя способами

1. С помощью обмоток ротора, пропуская по ним постоянный ток. Вокруг ротора при этом образуется постоянное магнитное поле. При вращении ротора поле вращается вместе с ним с той же скоростью. Этот способ применяют в синхронных машинах.

СХЕМА

2. С помощью обмоток статора. Если пропустить по ним 3-х фазную систему переменных токов. Этот способ применяют в большинстве машин переменного тока.

Простейшая 3-х фазная обмотка статора состоит из 3-х одновитковых катушек - по одной катушке на каждую фазу. Обмотки укладывают в специальных продольных пазах во внутренней поверхности статора. Их укладывают таким образом, чтобы получилось периодическое чередование направлений токов в проводниках вдоль поверхности статора.

СХЕМА

Стороны каждой катушки укладываются в диаметрально противоположных пазах. Катушки располагаются под углом 120° друг к другу.

Если катушки соединить Υ или Δ и подвести к зажимам АВС 3-х фазную симметричную систему напряжений, то в обмотках будет протекать 3-х фазная симметричная система токов.

СХЕМА

На временной диаграмме токов отметим 3 различных моментов времени и рассмотрим картину магнитного поля статора в каждом моменте

СХЕМЫ

Момент 1 Момент 2 Момент 3

+ от нас

- к нам

Условимся, что положительный ток входит в начало обмотки, выходит из конца, отрицательный наоборот.

В 1 период тока магнитное поле совершает 1 полный оборот вокруг оси статора. Скорость вращения магнитного поля определяется по формуле:

- частота тока

P - число пар полюсов

Для 2-х полюсного магнитного поля число пар полюсов p=1 и n₁=3000 об/мин.

Можно создать магнитное поле с числом пар полюсов p=2,3,4… Для этого обмотка статора в каждой фазе должна иметь 2, 3, 4… катушки. При этом проводники должны чередоваться на поверхности статора в порядке A – Z – В – Х – С – Y, это чередование повторяется р раз.

Однослойные обмотки

Бывают:

- концентрические

- шаблонные

В концентрической обмотке катушки каждой катушечной группы имеют разную ширину и располагаются концентрически. Устройство обмотки можно рассмотреть на развернутой схеме. Для получения развернутой схемы цилиндрическую поверхность статора вместе с обмоткой условно разрезают вдоль образующей цилиндра и развертывают на плоскости. При этом все секции обмотки изображают одновитковыми.

СХЕМА

Лобовые части концентрических обмоток отгибают в 2-х плоскостях. Для того, чтобы избежать пересечения лобовых частей катушек принадлежащих разным фазам.

Недостаток: наличие катушек разного размера, вследствие чего они имеют разное сопротивление. Концентрические обмотки применяют в двигателе при большой мощности до 18 кВт

В шаблонных обмотках все катушки имеют одинаковый размер. Наматываются на общем шаблоне.

СХЕМА

Шаблонные обмотки применяют в машинах с мощностью до 10кВт

Двухслойные обмотки

Получили наибольшее распространение в эл/машинах. Такая обмотка укладывается в пазах статора в два слоя.

Если одна сторона секции лежит в пазу в нижнем слое, то другая сторона этой секции в другом пазу укладывается в верхнем слое.

Двухслойные обмотки могут выполняться с петлевыми или с волновыми секциями.

СХЕМА

Двухслойные обмотки характеризуются шагом обмотки - у.

у- ширина первой секции выражается в пазах.

Если ширина катушки равна полюсному делению τ, то говорят, что обмотка имеет полный или диаметральный шаг. Полюсное деление τ может быть выражено как в мм, так и в пазах. В электрических машинах чаще всего применяют петлевые обмотки с укороченным шагом, когда у <τ.

Укорочение шага обмотки применяют для улучшения формы кривой ЭДС в обмотке статора (Z=12).

Рассмотрим принцип выполнения двухслойной обмотки. Пусть дан статор с 12 пазами

СХЕМА

Нужно разместить в этих пазах трехфазную двухслойную обмотку так, чтобы получилось двухполюсное магнитное поле 2р=2.

Так как число катушек в фазе обмотки равно числу пар полюсов, то обмотка будет иметь в каждой фазе по одной катушке. Число пазов на каждую фазу равно Z/3 = 4 паза. Следовательно на одну сторону каждой катушки приходится 2 паза. В каждом пазу мы можем уложить 2 стороны разных секций, следовательно каждую катушку надо разделить на 4 секции.

Надо разделить поверхность статора на фазные зоны.

Для двух других фаз обмотки выполняются аналогично.

В рассмотренном примере обмотка фазы состоит из 4-х секций, сгруппированных в две катушечные группы, при этом все секции соединены последовательно. Однако секции можно соединять и параллельно. При этом секции, принадлежащие одной катушечной группе, всегда соединяют последовательно, катушечные группы можно соединить и параллельно. При параллельном соединении катушечных групп обмотка фазы делится на несколько параллельных ветвей. Число параллельных ветвей (2а) может быть равно от 1 до 2р. В нашем примере а=1.

В рассмотренной схеме обмотка имеет диаметральный шаг (у=τ= 6 пазов)

Посмотрим, как устроена обмотка с укороченным шагом.

у=5 пазов

При укорочении шага обмотки в некоторых пазах оказываются уложенными вместе секции разных фаз. При этом ЭДС обмотки ослабляется, но незначительно. Волновые обмотки применяют в очень мощных машинах с числом витков в секции W=1.

Асинхронные машины

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Принцип действия и устройства трансформатора

Трансформатор не является Э.М., так как его работа не связана с преобразованием механической энергии в электрическую или наоборот.

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Электромагнитные пр<