Электрические машины и трансформаторы

Электрические машины и трансформаторы

МЕЖРЕГИОНАЛЬНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ

(МЗЭТ ГОУ СПО ИЭК)

Барнаульский филиал

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

По теме «Электрические машины и трансформаторы»

Деркач Николай Николаевич шифр Д—2170

3 курса, специальности 140206-01 .

Вопрос № 1 Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Значение опытов. Напряжение короткого замыкания

Электрическая схема замещения позволяет с достаточной точностью исследовать свойства трансформаторов в любом режиме. Использование этой схемы при определении характеристик имеет наибольшее практическое значение для трансформаторов мощностью 50 кВ-А и выше, так как исследование таких трансформаторов методом непосредственной нагрузки связано с некоторыми техническими трудностями: непроизводительным расходом электроэнергии, необходимостью в громоздких и дорогостоящих нагрузочных устройствах.

Определение параметров схемы замещения Z1 = r1+jx1; Z_m = r_m+jx_m', Z₂^/=r₂^/+jx₂^/ возможно либо расчетным (в процессе расчета трансформатора), либо опытным путем. Ниже излагается порядок определения параметров схемы замещения трансформатора опытным путем, сущность которого состоит в проведении опыта холостого хода (х. х.) и опыта короткого замыкания (к. з.).

Опыт холостого хода. Холостым ходом называют режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке (z_н=бесконечности, I₂=0). В этом случае уравнения ЭДС и токов (1.34) принимают вид

Так как полезная мощность при работе трансформатора вхолостую равна нулю, мощность на входе трансформатора в режиме х. х. Pq расходуется на магнитные потери в магнитопроводе Р_м (потери на перемагничивание магнитопровода и вихревые токи) и электрические потери в меди I₀² r1 (потери на нагрев обмотки при прохождении по ней тока) одной лишь первичной обмотки. Однако ввиду небольшого значения тока I₀, который обычно не превышает 2—10% I1ном, электрическими потерями I₀² r1 можно пренебречь и считать, что вся мощность х. х. представляет собой мощность магнитных потерь в стали магнитопровода. Поэтому магнитные потери в трансформаторе принято называть потерями холостого хода.,

Опыт х. х. однофазного трансформатора проводят по схеме, изображенной на рис. 1.29, а. Комплект электроизмерительных приборов, включенных в схему, дает возможность непосредственно измерить напряжение U₁, подведенное к первичной обмотке; напряжение U₂₀ на выводах вторичной обмотки; мощность х.х. Р₀ и ток Х.Х. Iо.

Напряжение к первичной обмотке трансформатора обычно подводят через регулятор напряжения РН, позволяющий плавно повышать напряжение от 0 до 1,15 U1ном-

При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока х.х. снимают показания приборов,- а затем строят характеристики х.х.: зависимость тока х.х. I₀," мощности х.х. Pq и коэффициента мощности х.х. соs ф0 от первичного напряжения U1 (рис. 1.30).

Криволинейность этих характеристик обусловлена состоянием магнитного насыщения магнито-провода, которое наступает при некотором значении напряжения U1.

В случае трехфазного трансформатора опыт х.х. проводят по схеме, показанной на рис. 1.29, б. Характеристики х.х. строят по средним фазным значениям тока и напряжения для трех фаз:

где P0 и P0" — показания однофазных ваттметров; U1 и I0 — фазные значения напряжения и тока.

По данным опыта х. х. можно определить: коэффициент трансформации

ток х.х. при U 1ном (в процентах от номинального первичного тока)

 (1.45)

потери х. х. P0.

В трехфазном трансформаторе токи х.х. в фазах неодинаковы и образуют несимметричную систему

поэтому мощность Р0 следует измерять двумя ваттметрами по схеме, изображенной на рис. 1.29, б. Падение напряжения в первичной ветви схемы замещения в режиме х.х. Io(r1+jx1) (рис. 1.31) составляет весьма незначительную величину, поэтому, не допуская заметной ошибки, можно пользоваться следующими выражениями для расчета параметров ветви намагничивания:

Обычно в силовых трансформаторах общего применения средней и большой мощности при номинальном первичном напряжении ток х. х. i0=10/0,6%.

Если же фактические значения тока х. х. Iном и мощности х. х. Р0 ном, соответствующие номинальному значению первичного напряжения U1 ном, заметно превышают величины этих параметров, указанные в каталоге на данный тип трансформатора, то это свидетельствует о неисправности этого трансформатора: наличии корот-козамкнутых витков в обмотках либо замыкании части пластин магнитопровода.

Опыт короткого замыкания. Короткое замыкание трансформатора — это такой режим, когда вторичная обмотка замкнута накоротко (z_H=0), при этом вторичное напряжение U₂=0. В условиях эксплуатации, когда к трансформатору подведено номинальное напряжение U1ном, короткое замыкание является аварийным режимом и представляет собой большую опасность для трансформатора.

При опыте к.з. вторичную обмотку однофазного трансформатора замыкают накоротко (рис. 1.32, а), а к первичной обмотке подводят пониженное напряжение, постепенно повышая его регулятором напряжения РН до некоторого значения Uк ном, при котором токи к. з. в обмотках трансформатора становятся равными номинальным токам в первичной (I1к =I1ном) и вторичной (I2к =I2ном) обмотках. При этом снимают показания приборов и строят характеристики к. з., представляющие собой зависимость тока к. з. I1_K, мощности к. з. Р_к и коэффициента мощности cos ср_к от напряжения к. з. U_K (рис. 1.33).

В случае трехфазного трансформатора опыт проводят по схеме, показанной на рис. 1.32, б, а значения напряжения к.з. и тока к.з. определяют как средние для трех фаз:

В случае трехфазного трансформатора активную мощность измеряют методом двух ваттметров. Тогда мощность к. з.

В (1.52) Рк и Р_к" — показатели однофазных ваттметров, Вт.

Напряжение, при котором токи в обмотках трансформатора при опыте равны номинальным значениям, называют номинальным напряжением короткого замыкания и обычно выражают его в процентах от номинального напряжения:

Вопрос №2 Средства улучшения коммутации в машинах постоянного тока

Таблица  13.1. Степень искрения (класс коммутации) электрических машин постоянного тока

Большое практическое значение * при эксплуатации машин постоянного тока имеют вопросы улучшения коммутации. Основной причиной неудовлетворительной коммутации является возникновение в коммутирующих секциях добавочного тока коммутации

1. Выбор вдетак, С точки зрения обеспечения удовлетворительной коммутации целесообразно применение щеток с большим падением напряжения в переходном контакте и собственно щетке, т.е. щетки с большим сопротивлением r_щ, что привело бы к уменьшению тока i_д. Однако допустимая плотность тока в щеточном контакте таких щеток невелика, поэтому их применение в машинах со значительным током якоря ведет к необходимости увеличения площади щеточного контакта, что требует увеличения площади коллектора за счет его длины. В связи с этим щетки с большим r_ш используют преимущественно в машинах с относительно высоким напряжением, а следовательно, с небольшим током якоря.

2. Уменьшение реактивной ЭДС в коммутирующих секциях. Снижению реактивной ЭДС, индуцируемой в коммутирующих секциях, способствует уменьшение коэффициентов взаимной индуктивности М и самоиндукции Lс.. Понижение коэффициента М достигается применением обмоток якоря с укороченным шагом (у1 < т) и щеток шириной не более чем в два-три коллекторных деления. Уменьшение коэффициента самоиндукции Lс достигается сокращением числа витков в секциях обмотки.

Из этого следует, что для улучше ния коммутации необходимо умень шить величину добавочного тока ком мутации. Этого можно достигнуть не сколькими способами.

3. Добавочные полюса. Назначение добавочных полюсов — создание магнитного поля в зоне коммутации с магнитной индукцией В_д.п такого значения и направления, чтобы «подавить» магнитную индукцию от реакции якоря Вр.я, и сверх этого создать в зоне коммутации магнитную индукцию В_к. Индукция В_к должна быть достаточной для индуцирования в коммутирующей секции ЭДС вращения е_вр, равную по величине и противоположную по направлению реактивной ЭДС е_р, так чтобы суммарная ЭДС в коммутирующей секции оказалась равной нулю.

Добавочные полюса располагают между главными полюсами по линии геометрической нейтрала, а их обмотку включают последовательно с обмоткой якоря, чем обеспечивается автоматическое поддержание на требуемом уровне значения магнитной индукции в зоне коммутации при изменениях нагрузки машины. Все машины постоянного тока мощностью свыше 1 кВт снабжаются добавочными полюсами, число которых принимают равным числу главных полюсов или же вдвое меньшим. Добавочные полюса обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине только при нагрузках в пределах номинальной. При перегрузке машины происходит насыщение магнитной цепи этих полюсов и коммутация ухудшается.

Однако добавочные полюсы не устраняют полностью нежелательного воздействия реакции якоря на распределение магнитной индукции в зазоре машины постоянного тока. Поэтому в мощных быстроходных машинах постоянного тока, работающих в режиме интенсивных нагрузок, применяют компенсационную обмотку. Эту обмотку включают последовательно в цепь якоря и располагают в полюсных наконечниках главных полюсов машины (рис. 13.9). Компенсационная обмотка создает МДС по поперечной оси встречно магнитному потоку якоря и компенсирует его.

4. Смещение щеток с геометрической нейтрали. В машинах мощностью до 1 кВт без добавочных полюсов улучшение коммутации достигается смещением щеток с геометрической нейтрали в направлении вращения якоря у генераторов или встречно направлению вращения якоря у двигателей. Этот способ улучшения коммутации применим лишь в нереверсируемых электрических машинах, работающих с неизменной нагрузкой.

Искрение на коллекторе является интенсивным источником электромагнитных колебаний частотой от 1000 до 3000 Гц. Эти колебания распространяются по сети и вызывают помехи в радиоприемных устройствах. Для устранения помех применяют подавляющие электрические фильтры из проходных конденсаторов типа КБП емкостью от 0,1 до 1,0 мкФ (рис. 13.10). У этих конденсаторов одним из зажимов является металлическая оболочка, прикрепляемая к заземленному корпусу машины.

Вопрос № 3 Устройство и принцип действия автотрансформатора.

Его достоинства и недостатки

Основное конструктивное отличие автотрансформатора от трансформатора состоит в том, что в автотрансформаторе часть обмотки ВН является обмоткой НН. В связи с этим энергия из первичнойцепи во вторичную передается не только за счет магнитной связи между этими цепями, но и за счет непосредственной электрической связи этих цепей. Рассмотрим работу однофазного понижающего автотрансформатора (рис. 3.2, а).

Участок обмотки аХ—общий для первичной и вторичной цепей. Пренебрегая током х. х., запишем уравнение МДС:

I1 w_AX + w_aX I2=0.

Разделив это уравнение на число витков обмотки w_AX, получим уравнение токов автотрансформатора:

I₁+ I₂ (w_aX / w_AX )=0, или I₁= - I₂ / k_A ,                                             (3.5)

где k_A = w_AX/w_aX — коэффициент трансформации автотрансформатора.-

По общей части витков аХ обмотки автотрансформатора проходит ток I12, равный алгебраической сумме токов, т. е.

I₁₂ = I₁ + I₂.                                                                                       (3.6)

В понижающем автотрансформаторе вторичный ток больше первичного, т. е. I2>I1. Из этого следует, что в этом трансформаторе ток I12 в общей части витков аХ равен разности вторичного и первичного токов:

I12 =I₂-I1.                                                                                        (3.7)

Если коэффициент трансформации автотрансформатора немногим больше единицы, то токи I1 и I2 мало отличаются друг от друга, а их разность составляет небольшую величину. Это позволяет выполнить часть аХ обмотки автотрансформатора из провода меньшего сечения.

S_np=U2I2=U₂(I₁+I₁₂)=U₂I₁+U₂I₁₂=S_э + S_расч. "                                    (3.8)

Здесь S_э—U₂I1 — мощность, передаваемая из первичной цепи автотрансформатора во вторичную благодаря электрической связи между этими цепями.

Таким образом, расчетная мощность в автотрансформаторе S_рас= U₂I12 составляет лишь часть проходной. Это дает возможность для изготовления автотрансформатора использовать магни-топровод меньшего сечения, чем в трансформаторе равной мощности.

Средняя длина витка_обмотки также становится меньше; следовательно, уменьшается расход меди на выполнение" обмотки авто-трансформйтораГ Одновременно уменьшаются магнитные и электрические потери, а КПД автотрансформатора повышается^

Таким образом, автотрансформатор по сравнению с трансформатором равной мощности обладает следующими преимуществами: меньшим расходом активных материалов (медь и электротёх"ничё-ская сталь), более высоким КПД, меньшими размерами и стоимостью. У автотрансформаторов большой мощности КПД достигает 99,7%.

Указанные преимущества автотрансформатора тем значительнее, чем больше мощность S_Э, а следовательно, чем меньше расчетная часть проходной мощности.

Мощность S_Э, передаваемая из первичной во вторичную цепь благодаря электрической связи между этими цепями, определяется выражением

Sэ = U2I1 = U2I2/kA = S_пр/k_A,                                                         (3.9)

т. е. величина мощности S_э обратно пропорциональна коэффициенту трансформации автотрансформатора k_A.

Из графика, изображенного на рис. 3.3, видно, что применение автотрансформатора дает заметные преимущества по сравнению с двухобмоточным трансформатором лишь при небольших значениях коэффициента трансформации. Например, при k_A=\ вся мощность автотрансформатора передается во вторичную цепь за счет электрической связи между цепями (S_э/Sпр=1).

Наиболее целесообразно применение автотрансформаторов с коэффициентом трансформации k_A 2. При большой величине коэффициента трансформации преобладающее значение имеют недостатки автотрансформатора, состоящие в следующем:

1. Большие токи к.з. в случаях понижающего автотрансформатора: при замыкании точек а и X (см. рис. 3.2, а) напряжение U1 подводится лишь к небольшой части витков Аа, которые обладают очень малым сопротивлением к.з. В этом случае автотрансформаторы не могут защитить сами себя от разрушающего действия токов к.з., поэтому токи к.з. должны ограничиваться сопротивлением других элементов электрической установки, включаемых в цепь автотрансформатора.

2. Электрическая связь стороны ВН со стороной НН; это требует усиленной электрической изоляции всей обмотки.

3. При использовании автотрансформаторов в схемах понижения напряжения между проводами сети НН и землей возникает напряжение, приблизительно равное напряжению между проводом и землей на стороне ВН.

4. В целях обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала нельзя применять автотрансформаторы для питания цепей НН от сети ВН.

Задача № 1

Выберите тип обмотки и рассчитайте её шаги. Обоснуйте свой выбор. Начертите развёрнутую схему и схему параллельных ветвей обмотки якоря машины постоянного топка.

Исходные данные:

Число пар полюсов Р = 1

Число элементарных пазов Zэ = 15

Число секций S = 15

Число коллекторных пластин. К = 15

Ток в якоре Ia = 600А

Ток параллельной ветви должен ограничивается значением. ia = ( 300 – 350) А

Ia = 2a ia

2a – число параллельных ветвей обмотки якоря

ia – ток одной параллельной ветви

2а = 2Р ia = Ia/2a = 600/2*1 = 300A

Выбираем простую петлевую обмотку.

Задача № 2

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением работает в номинальном режиме с мощностью Р ном при напряжении U_ном и токе Iном. Ток в обмотке возбуждения -- I_в, в обмотке якоря - I_а. Сопротивление обмотки возбуждения при t_хол = 20 °С - R_В 20°С, а обмотки якоря – Ra 20°С. ЭДС генератора- Е. КПД генератора - rном, а суммарные потери мощности в генераторе ∑ р.

По заданным в таблице 2 значениям величин определить все остальные, отмеченные в таблице прочерками. Начертите схему такого генератора и поясните назначение каждого элемента схемы.

ЗАДАЧА 3

Трехфазный трансформатор имеет номинальную мощность S_HQM. номинальные (линейные) напряжения обмоток U1ном и U2ном - номинальные токи I 1ном и I 2ном и коэффициент трансформации k. В сердечнике трансформатора сечением Q создается магнитная индукция В_тах при частоте тока  = 50 Гц. Обе обмотки соединены в-звезду. Числа виткоз первичной и вторичной обмоток – w₁ и w₂. ЭДС в обмотках (фазные величины) составляют Е1ф и Е2ф. По заданным в таблице 3 значениям величин определить все остальные, отмеченные в таблице прочерками.