Лекции по "Эллектротехнике"

3. Измерение сопротивления изоляции.

Для измерения сопротивления изоляции электрооборудования предназначены мегаомметры. Они бывают индукторные и безиндукторные. В индукторных мегаомметрах источником тока является индуктор (небольшой генератор, у которого вместо обмотки возбуждения имеется постоянный магнит). Индуктор приводится в действие путём вращения ручки, находящейся на корпусе прибора. У безиндукторных мегаомметров источником тока является аккумуляторная батарея.

Мегаомметр имеет две шкалы и переключатель. Одна из шкал градуирована в килоомах, а другая – в мегаомах. Мегаомметры изготавливают на разные значения напряжений (от 100 до 2000 В). Чем больше номинальное значение напряжения электрооборудования, сопротивление изоляции которого нужно измерить, тем большее напряжение должен иметь мегаомметр.

Для исключения поражения электрическим током нужно перед измерением сопротивления изоляции снять питание с электрооборудования, сопротивление изоляции которого измеряют.

 

 

Лекция 23.

Тема 6.1. Устройство и принцип действия трансформатора.

1. Устройство трансформатора.

 

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для трансформации (изменения) напряжения.

1 – ярмо; 2 и 5 – стержни; 3 и 4 – обмотки.

Ярмо и стержни образуют магнитопровод.

Первичная обмотка – обмотка, которая присоединена к источнику.

Вторичная обмотка – обмотка, к которой присоединяют потребители.

 

Классификация.

1. По характеру трансформации: понижающие и повышающие.
2. По назначению: силовые и специальные.
3. По числу обмоток: двух- и многообмоточные ( у двухобмоточных имеются первичная и вторичная обмотки; у многообмоточных – первичная и несколько вторичных).
4. По числу фаз: одно- и трёхфазные.
2. Принцип действия трансформатора.

w1 – первичная обмотка; w2 – вторичная обмотка; I1, I2 – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток; U1, U2 – действующие значения напряжений на первичной и вторичной обмотках; Ф – основной магнитный поток.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции: переменный ток первичной обмотки возбуждает переменный магнитны поток, большая часть которого Ф замыкается по магнитопроводу (основной поток). Небольшая часть потока, возбуждённого током первичной обмотки, замыкается по воздуху и называется потоком рассеяния. Поток Ф наводит в обмотках трансформатора ЭДС: в первичной обмотке - ЭДС самоиндукции е1 и во вторичной обмотке - ЭДС взаимоиндукции е2. Если ко вторичной обмотке присоединить потребитель, то под действием ЭДС е2 потечёт ток I2.

В трансформаторе передача энергии от источника к потребителю происходит  через магнитное поле, связывающее между собой первичную и вторичную обмотки. Таким образом, источник энергии и потребитель не имеют между собой гальванической связи, т.е. напряжение источника не приложено к потребителю.

3. Коэффициент трансформации.

В соответствии с законом электромагнитной индукции (формула 2.4):

е1 = -w1; .

При синусоидальном напряжении на первичной обмотке основной магнитный поток то же будет синусоидальным, т.е. Ф = Фmsin ωt.

Тогда: = Е1m, где Е1m= w1ωФm, отсюда действующее значение. Аналогично: = 4,44 w2 f Фm.

 

Коэффициент трансформации (k) – отношение действующего значения ЭДС в обмотке высшего напряжения к действующему значению ЭДС в обмотке низшего напряжения.

 

Из последнего равенства следует, что коэффициент трансформации можно определить путём отношения числа витков обмотки высшего напряжения к числу витков обмотки низшего напряжения.

 

 

Лекция 24

Тема 6.2. Режимы трансформатора.

1. Режим холостого хода.

1. Режим холостого хода.

В режиме холостого хода первичная обмотка присоединена к источнику, а вторичная обмотка разомкнута.

– ток первичной обмотки в режиме холостого хода.

 – магнитодвижущая  сила первичной обмотки.

 

 – число  витков первичной обмотки.

МДС создаёт в магнитопроводе трансформатора основной магнитный поток Ф, а вне магнитопровода – магнитный поток рассеяния .

Основной поток наводит в первичной и вторичной обмотках соответственно ЭДС Е1 и Е2.

Поток рассеяния сцепляется с витками только первичной обмотки и наводит в ней ЭДС Ер1.

Уравнение равновесия ЭДС и напряжений для контура, образуемого первичной обмоткой и сетью имеет вид:

(1).

U1 – напряжение на первичной обмотке (напряжение сети);

-Е1 – часть напряжения U1, которая идёт на компенсацию ЭДС Е1;

- Ер1 – часть напряжения U1, которая идёт на компенсацию ЭДС Ер1;

R1 – активное сопротивление первичной обмотки;

I01R1 – падение напряжения на активном сопротивлении обмотки.

Поскольку поток рассеяния замыкается в основном по воздуху, то -Ер1 можно выразить так:

-Ер1 = I01x1,

где x1 – индуктивное сопротивление первичной обмотки. Тогда уравнение (1) примет следующий вид:

.

Или, так как

,

то

.(2)

Здесь – полное сопротивление первичной обмотки трансформатора.

У современных трансформаторов падение напряжения I01z1 не превышает0,005 U1. поэтому при холостом ходе трансформатора можно пренебречь величиной I01z1 и считать, что U1≈E1.

При холостом ходе мощность отдаваема трансформатора потребителям (полезная мощность) равна нулю. Вся потребляемая из сети мощность расходуется на потери в самом трансформаторе. Эти потери складываются из потерь на нагревание первичной обмотки Рм1 и потерь в стали Рст. Расчёты показывают, что потери составляют не более 2% от мощности Р0, потребляемой трансформатором при холостом ходе. Тогда не будет большой ошибкой считать Р0≈Рст, т.е. мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, тратится в основном на потери в стали.

Таким образом, можно считать, что ваттметр W на рис. 6.3 в режиме холостого хода измеряет потери мощности в стали (Рст).

2. Режим работы под нагрузкой.

Трансформатор работает под нагрузкой тогда, когда к его первичной обмотке подведено напряжение U1, а к вторичной обмотке подключены потребители электрической энергии, и в ней протекает переменный ток I2.

Уравнение ЭДС и напряжений для контура, образованного первичной обмоткой трансформатора, при работе его под нагрузкой имеет вид:

(3).

U1 – напряжение на первичной обмотке (напряжение сети);

-E1 – часть напряжения U1, которая идёт на компенсацию ЭДС E1, наводимой в первичной обмотке трансформатор результирующим основным магнитным потоком;

I1 –ток в первичной обмотке при работе трансформатора под нагрузкой;

z1 – полное сопротивление первичной обмотки;

- падение напряжения  на первичной обмотке.

F1=I1w1; F2=I2w2.

F1 – МДС первичной обмотки.

F2 – МДС вторичной обмотки.

F2 создаёт магнитный поток Ф2, большая часть которого замыкается по магнитопроводу трансформатора, а незначительная его часть сцепляется только с витками вторичной обмотки. Теперь уже магнитный поток в магнитопроводе будет создаваться МДС обеих обмоток трансформатора. Этот поток наведёт во вторичной обмотке ЭДС, под действием которой по обмотке протекает ток I2. При этом, согласно правилу Ленца ток I2 должен иметь такое направление, чтобы создаваемый им поток Ф2 препятствовал изменению основного магнитного потока, создаваемого током первичной обмотки. Следовательно, если ток первичной обмотки намагничивает магнитопровод трансформатора, то ток вторичной обмотки его размагничивает.

При увеличении тока I2 размагничивающее действие вторичной обмотки увеличивается и, если бы при этом намагничивающее действие первичной обмотки не увеличилось, то результирующий основной поток в магниропроводе трансформатора стал бы меньше того значения, которое он имел при холостом ходе. Уменьшение основного потока привело бы к уменьшению ЭДС Е1. Для того чтобы при U1=const равновесие между ЭДС и напряжениями трансформатора не было нарушено (формула 3), очевидно, должен увеличится ток I1. Увеличение тока I1 приведёт к увеличению намагничивающего действия первичной обмотки и к сохранению того значения основного потока, которое было при холостом ходе.

Из сказанного выше следует, что при работе трансформатора под нагрузкой:

1. Основной магнитный поток в трансформаторе имеет то же значение, которое было при холостом ходе.
2. Увеличение (уменьшение) тока нагрузки трансформатора (тока I2) приводит к увеличению (уменьшению) ток, потребляемого трансформатором из сети (тока I1).

 

 

Лекция 25

Тема 6.2. Режимы трансформатора.

1. Режим короткого замыкания.

 В этом режиме первичная обмотка подключена к сети, а вторичная обмотка замкнута накоротко. Причинами возникновения короткого замыкания могут быть неисправности у потребителя подключённого к вторичной обмотке или повреждение изоляции этой обмотки. При коротком замыкании токи в первичной и вторичной обмотках достигают величин, превышающих номинальные токи в 10 – 20 и более раз. Такое чрезмерное увеличение тока представляет опасность для трансформатора. Вследствие этого всегда предусматривается защита, предназначенная отключать от сети его первичную обмотку по прошествии некоторого небольшого промежутка времени после возникновения короткого замыкания.

Для определения потерь в меди обмоток используют опыт короткого замыкания, при котором зажимы вторичной обмотки замыкают накоротко (обычно через амперметр), а к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, чтобы токи в обмотках трансформатора были равны номинальным. Потери в стали при опыте короткого замыкания будут меньше, чем при холостом ходе в 400÷900 раз, поэтому ими можно пренебречь и считать, что мощность, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания, тратится только на нагревание первичной и вторичной обмоток, т.е. является потерями в меди.

Таким образом, можно считать, что ваттметр W на рис 6.3 измеряет потери мощности в меди обмоток.

2. Коэффициент полезного действия трансформатора.

Мощность, потребляемая однофазным трансформатором при нагрузке, определяется формулой

,

а отдаваемая потребителям (полезная мощность)

.

Часть потребляемой мощности идёт на покрытие потерь в самом трансформаторе. Потери складываются из потерь на нагревание обмоток и потерь в стали магнитопровода трансформатора, т.е.

.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение полезной мощности Р2 к потребляемой Р1:

 или .(4)

Эту формулу можно несколько преобразовать, заменив мощность Р1 её составляющими: Р1=Р2+ΔР=Р2+Рм1+Рм2+Рст.

Обозначим Рм1+Рм2=Рм, тогда Р1=Р2+Рм+Рст, а КПД

(5).

С помощью формул 4 и 5 можно определить КПД для всех нагрузок только экспериментальным путём. На практике это не всегда возможно. Наиболее широкое применение на практике получил косвенный метод определения КПД. Сущность его состоит в следующем:

- проводят опыт холостого  хода (режим холостого хода при  U1н) и определяют потери в стали Р0=Рст;

- проводят опыт короткого  замыкания и определяют потери  на нагрев обмоток Рм=Рк.

Пользуясь этими данными определяют КПД по формуле

,(6)

где – отношение заданной нагрузки к номинальной (коэффициент загрузки)

с помощью формулы 6, задаваясь различными значениями β при cosβ2=const, можно определить несколько значений КПД и построить зависимость *=f(β), не нагружая трансформатор.

У современных трансформаторов КПД достигает значения, равного 99%

Как видно из рис. 6.4 наибольшего значения КПД достигает при токе нагрузки I2 = (0,75÷о,8) I2н

Большой коэффициент трансформации свидетельствует о том, энергия источника почти без потерь передаётся во вторичную обмотку трансформатора, а оттуда к потребителю.

Таким образом,S1≈S2, где S1 полная мощность, поступившая в первичную обмотку от источника; S2 полная мощность, отданная вторичной обмоткой потребителю.

S1 = U1I1; S2 = U2I2.

 Откуда

 

Из данной пропорции следует, что у понижающего трансформатора ток в первичной обмотке меньше, чем во вторичной, а у повышающего – наоборот. Следовательно, обмотка низшего напряжения наматывается проводом большего сечения, чем обмотка высшего напряжения.

3. Трёхфазный трансформатор.

Трёхфазный трансформатор представляет собой три однофазных трансформатора, объединённых одним магнитопроводом. Чаще других применяют трансформаторы с трёхстержневым магнитопроводом, устройство которого показано на рис.6.5.

На каждом из трёх стержней 1 расположены первичная и вторичная обмотки одной фазы.

Начала фазных обмоток высшего напряжения обозначают буквами A,B.C, а их концы – буквами X,Y,Z. Соответственно буквами a,b,c и x,y,z обозначают начала и концы обмоток низшего напряжения. первичные и вторичные обмотки трансформатора могут быть соединены звездой Y или треугольником Δ. Схема соединения указывается на щитке трансформатора в виде дроби, числитель которой относится к обмотке высшего напряжения, а знаменатель – к обмотке низшего напряжения, например Y/Y или Y/Δ. В том случае, когда трансформатор имеет выведенную нулевую точку от какой-либо обмотки, рядом с символом Y указывается значок «0». Например, Y/Y0 – от обмотки низшего напряжения выведена нулевая точка.