Глава 1. Общие сведения об электрических машинах

1-1. Основные определения и классификация электрических машин

Электрические машины являются основными элементами электрических установок. Они используются как источники (генераторы) электрической энергии, как двигатели, чтобы приводить в движение самые разнообразные рабочие механизмы на заводах и фабриках, в сельском хозяйстве, на строительных работах и т. д.

Электрические машины, предназначенные для преобразования механической энергии в электрическую, называются генераторами; электрические машины, предназначенные для обратного преобразования электрической энергии в механическую, называются двигателями.

Электрические машины применяются также для преобразования рода тока (например, переменного тока в постоянный), частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения. Такие машины называются электромашинными преобразователями.

Электрическая машина имеет две основные части — вращающуюся, называемую ротором, и неподвижную, называемую статором (рис. 1-1).

Рис. 1-1. Обычная конструктивная схема электрической машины,
1 — статор; 2 — ротор; 3 — подшипники.

К электрическим машинам относят также трансформатор. Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, который служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты. Хотя он и не является машиной (не имеет движущихся частей), все же его теория изучается вместе с теорией электрических машин, так как основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс трансформатора, применимы и к электрическим машинам.

Различают машины переменного и постоянного тока в зависимости от того, какой ток они генерируют или потребляют.

Машины переменного тока разделяются на синхронные и асинхронные. В тех и других машинах при их работе возникает вращающееся магнитное поле. Ротор синхронной машины вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора асинхронной машины отличается от скорости вращения поля.

Машины переменного тока бывают однофазные и многофазные (чаще всего трехфазные); первые генерируют или потребляют однофазный ток, вторые — многофазный ток.

Машины постоянного тока, как правило, снабжаются коллектором, который здесь служит для получения на щетках машины э. д. с., постоянно действующей в одном направлении. В то же время коллектор служит для переключения токов в частях обмотки ротора (якоря) таким образом, чтобы результирующая электромагнитных сил, получающихся от взаимодействия магнитного поля электромагнитов статора и токов в обмотке ротора, действовала на ротор все время в одном направлении.

Находят себе применение также асинхронные коллекторные машины переменного тока. Их ротор выполняется так же, как ротор машины постоянного тока. Они в отличие от бесколлекторных асинхронных машин позволяют плавно и экономично регулировать их скорость вращения. Однако область их применения весьма ограничена вследствие их высокой стоимости, сложности ухода за ними и относительно малой надежности в работе.

Приведенная здесь вкратце практическая классификация электрических машин не исчерпывает всего их многообразия. В дальнейшем при рассмотрении машин переменного и постоянного тока мы будем обращаться к различным их видам, различающимся как по назначению, так и по выполнению.

1-2. Принцип действия электрической машины и трансформатора

Принцип действия электрической машины основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Согласно указанным законам, а также законам Ома, Джоуля-Ленца и магнитной цепи можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс машины. Обратимся для этого к рис. 1-2. Здесь показаны два полюса электромагнита, создающего магнитное поле. В магнитном поле между полюсами помещен проводник, сечение которого изображено кружком. Если этот проводник передвигать, например, слева направо, то в нем согласно закону электромагнитной индукции возникнет э.д.с.

, (1-1)

где В — индукция в месте, где находится проводник;
l — активная длина проводника, т. е. та его часть, которая находится в магнитном поле;
v —скорость движения проводника относительно поля (если индукция B выражена в В·с/см², l—в сантиметрах, v—в см/с, то получим э. д. с. e в вольтах; если B выражена в гауссах, то для получения e в вольтах надо правую часть (1-1) умножить на 10^-8).

Рис. 1-2. К объяснению принципа действия электрических машин.

Направление наведенной э. д. с. определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления э. д. с. в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля (рис. 1-3).

Рис. 1-3. Правило правой руки.

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по нему пойдет ток, имеющий такое же направление, как и э.д.с. Это направление (от нас) указано крестиком на рис. 1-2.

В результате взаимодействия тока i в проводнике и поля возникнет электромагнитная сила

, (1-2)

направление которой определяется по правилу левой руки (рис. 1-4) (если B выражена в В·с/см²,

i — в амперах, l — в сантиметрах, то получим силу F_ЭМ, в Вт·с/см или в Дж/см; для получения F_ЭМ в килограммах надо правую часть (1-2) умножить на 10,2 и при B в гауссах — еще на 10^-8).

Рис. 1-4. Правило левой руки.

При равномерном движении проводника к нему должна быть извне приложена механическая сила F, равная F_ЭМ, т. е.

F = F_ЭМ. (1-3)

Если умножить обе части равенства сил на скорость v, то получим равенство мощностей

Fv = F_ЭМ v. (1-4)

Подставляя в правую часть этого равенства F_ЭМ из (1-2) и v из (1-1), получим:

Fv = ei. (1-5)

Отсюда видим, что механическая мощность Fv в нашем элементарном генераторе преобразуется в электрическую мощность ei. Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь таким генератором, может быть найдена из уравнения напряжений

u = e – ir, (1-6)

где u — напряжение на зажимах внешнего сопротивления;
ir — падение напряжения в проводнике, имеющем сопротивление r.

Умножив это уравнение на i, получим:

ui = ei – i²r, (1-7)

где ui — электрическая мощность, отдаваемая проводником во внешнюю цепь (она является частью полной электрической мощности ei, полученной в результате преобразования механической мощности);
i²r — электрические потери в проводнике.

Та же элементарная машина может работать двигателем, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. Подведем к проводнику напряжение u так, чтобы ток i в проводнике имел указанное на рис. 1-2 направление. При этом возникнет электромагнитная сила, которая согласно правилу левой руки заставит проводник передвигаться влево. В проводнике появится э. д. с. е, направленная против тока i и против напряжения u, в чем можно убедиться при помощи правила правой руки. Следовательно, напряжение u должно уравновесить э.д.с. е и падение напряжения в проводнике ir, т. е.

u = e + ir. (1-8)

От уравнения напряжений (1-8), умножив его на i, перейдем к уравнению мощностей

ui = ei + i²r. (1-9)

В этом уравнении i²r — электрические потери в проводнике, ei — та часть подведенной электрической мощности ui, которая преобразуется в механическую мощность F_ЭМ v, так как, учитывая (1-1) и (1-2), мы можем написать:

ei = Blvi = F_ЭМ v. (1-10)

Приведенные соотношения показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать и генератором и двигателем.

Принцип обратимости электрических машин был установлен русским академиком Э. X. Ленцем в 1833 г. Он применим к любой электрической машине.

Таким образом, мы видим, что наличие магнитного поля и проводников, по которым проходит ток, является необходимым условием для работы любой электрической машины. Для усиления магнитного поля применяются ферромагнитные материалы в виде сталей.

При работе электрической машины происходит относительное перемещение проводников и магнитного поля. Такое перемещение в обычных машинах осуществляется путем вращательного движения (рис. 1-1).

В основе работы трансформатора лежит явление взаимоиндукции. Трансформатор состоит обычно из двух обмоток с разными числами витков. Между обмотками существует магнитная связь; для ее усиления обмотки помещаются на стальном замкнутом магнитопроводе, называемом сердечником трансформатора. Энергия из одной обмотки в другую передается через посредство магнитного поля. Благодаря различию чисел витков обмоток получается трансформирование тока одного напряжения в ток другого напряжения, повышенного или пониженного по сравнению с первым.

1-3. Материалы, применяемые для трансформаторов и электрических машин

Для изготовления трансформаторов и электрических машин применяются следующие материалы: конструкционные, «активные» и изоляционные.

Конструкционные материалы идут на изготовление тех частей и деталей машин и трансформаторов, которые служат главным образом для передачи и восприятия механических воздействий. В электрических машинах в основном применяются те же конструкционные материалы, что и в общем машиностроении: чугун (простой, ковкий), сталь (литая, кованая), цветные металлы и их сплавы, пластмассы.

Активные материалы служат в качестве магнитных и проводниковых (токопроводящих) для создания в трансформаторах или машинах необходимых условий, в которых протекают электромагнитные процессы.

Некоторые части электрических машин работают в сложных физических условиях, поэтому к ряду материалов предъявляются требования, относящиеся одновременно как к механическим, так и к магнитным и электрическим свойствам их.

Изоляционные материалы имеют своим назначением электрически изолировать токопроводящие части трансформаторов и машин от других их частей и друг от друга.

а) Магнитные материалы. Для сердечников трансформаторов применяется специальная электротехническая листовая сталь с относительно большим содержанием кремния (до 4—5%) толщиной обычно 0,5 или 0,35 мм при частоте переменного тока 50 Гц. При более высоких частотах тока, например при 300—400 Гц и выше, толщина стали выбирается 0,20 и 0,10 мм. В этом случае значительно снижаются потери от вихревых токов, наведенных переменным магнитным полем, имеющим место в сердечнике трансформатора.

Для изготовления отдельных частей магнитной системы электрических машин применяются различные ферромагнитные материалы: листовая электротехническая сталь различных сортов, чугун, стальное литье, листовая (конструкционная) сталь, кованая сталь.

Те части машины, где имеет место переменное магнитное поле, собираются из изолированных один от другого листов электротехнической стали с содержанием кремния до 2—3% обычно толщиной 0,5 мм.

Потери мощности в листовой стали от гистерезиса и вихревых токов характеризуются удельными потерями, т. е. потерями в 1 кг стали при частоте 50 Гц и синусоидальном изменении индукции при амплитуде, равной 10000 Гс. Они составляют для листовой стали, применяемой для нормальных машин, при толщине 0,5 мм — около 3 Вт/кг; для листовой стали с содержанием кремния до 4—5%, применяемой для трансформаторов, при толщине 0,5 мм — около 1,4— 1,5 Вт/кг, при толщине 0,35 мм — около 1,3—1,2 Вт/кг. Указанная листовая сталь называется горячекатаной (по способу изготовления). В последние годы она в ряде случаев вытесняется холоднокатаной листовой сталью, имеющей более высокие электромагнитные свойства (большее значение магнитной проницаемости и меньшие удельные потери). Холоднокатаная сталь в настоящее время широко применяется для трансформаторов и крупных электрических машин. Чугун применяется для частей магнитной системы крайне редко из-за его плохих магнитных свойств.

Стальное литье и кованая сталь, так же как и конструкционная листовая сталь, применяются для тех частей магнитной системы машин, в которых имеет место постоянное магнитное поле.

б) Проводниковые материалы. К ним относится прежде всего медь — сравнительно недорогой материал, имеющий малое удельное сопротивление.

Наряду с медью для проводников применяются также алюминий и иногда некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза). Медные и алюминиевые провода для обмоток трансформаторов и электрических машин изготовляются круглых и прямоугольных сечений с различными видами изоляции. Для изоляции применяются хлопчатобумажная пряжа, телефонная бумага, асбест, стеклопряжа, пластмассы, синтетические пленки, специальные эмалевые лаки.

Провода с хлопчатобумажной изоляцией широко применяются для нормальных трансформаторов и электрических машин.

Для машин небольшой и средней мощности (примерно до 300 кВт) на напряжения до 700 В часто выбираются провода с эмалевой изоляцией. Применяемые при этом нагревостойкие эмалевые лаки позволяют получить тонкое и вместе с тем достаточно надежное изоляционное покрытие проводов.

Важное значение для работы электрических машин имеют щетки. Они накладываются на вращающиеся кольца или коллектор, соединенные с обмоткой, помещенной на роторе. Таким образом, осуществляется скользящий контакт, посредством которого обмотка соединяется с внешней цепью.

в) Изоляционные материалы. Изоляцию нужно считать одним из основных элементов трансформатора и электрической машины. Она большой степени определяет их надежность в работе.

Нагревостойкость изоляционных материалов, примененных для изоляции обмоток, определяет допустимые температуры обмоток, а следовательно, и нагрузки активных материалов (плотность тока для проводников, индукция для стали). Большое значение имеют теплопроводность изоляции, а также ее влагостойкость и химическая стойкость.

Требуется также, чтобы изоляция обладала достаточной механической прочностью, так как в процессе изолировки обмоток, укладки их на сердечники трансформаторов или в машины, а также в условиях эксплуатации изоляция подвергается значительным механическим усилиям.

На первое место должна быть поставлена слюдяная изоляция. Она наилучшим образом удовлетворяет перечисленным выше требованиям. Исходным материалом здесь служит слюда. Из слюды, щипаной на мелкие пластинки, изготовляются миканиты, микаленты, микафолий. Миканиты представляют собой листы, состоящие из мелких пластинок слюды, склеенных между собой при помощи специальных лаков. Микалента. состоит из одного слоя тонкой щипаной слюды, оклеенной с двух сторон бумагой. Микафолий состоит из одного—трех слоев щипаной слюды, наклеенной на бумагу; изготовляется в виде листов. Вместо бумаги применяется также стеклоткань. Микалента и микафолий являются относительно дорогими изоляционными материалами и применяются главным образом для машин на высокие напряжения (от 3 000 В и выше).

Наиболее часто для изоляции применяются волокнистые материалы: бумаги, картоны, ленты, ткани и т. п. Их основные достоинства — высокая механическая прочность и гибкость и сравнительно низкая стоимость. Однако непропитанные волокнистые материалы обладают гигроскопичностью, плохой теплопроводностью и невысокой электрической прочностью. Поэтому они применяются для изоляции электрических машин только в пропитанном виде, что значительно улучшает их свойства.

Большое практическое значение получили кремнийорганические изоляционные материалы для покрытия проводников, предложенные и разработанные в СССР.

Для улучшения свойств изоляции электрических машин необходимо применение пропиточных и покровных лаков, а также компаундов — специальных масс из битумов, высыхающих масел и канифоли.

Современные трансформаторы, как правило, делаются масляными. Их сердечник с обмотками помещается в баке, заполненном специальным трансформаторным маслом. Исходными продуктами для его получения являются масляные дистилляты нефти.

Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, по нагревостойкости разделяются на несколько классов. Из них наиболее часто применяются материалы классов А и В.

Класс изоляции А: хлопок, шелк, бумага и другие подобные органические материалы, пропитанные либо погруженные в масло, а также состав, называемый эмалью и применяемый при изготовлении эмалированной проволоки.

Класс изоляции В: изделия из слюды, асбеста, стеклянного волокна, содержащие вяжущие вещества.

Кроме классов изоляции А и В, в последние годы для электрических машин применяются классы изоляции Е, F и Н. Из них класс Е занимает промежуточное положение между классами А и В. К классам изоляции F и Н относятся наиболее нагревостойкие изоляционные материалы.

1-4. Режимы работы и номинальные величины

Режим работы электрической машины или трансформатора при условиях, для которых машина или трансформатор предназначены заводом-изготовителем, называется номинальным режимом работы. Он характеризуется величинами, указанными на заводском щитке машины или трансформатора и называемыми номинальными.

Обычно электрические машины и трансформаторы предназначаются для номинального продолжительного режима работы, при котором они могут работать с установившимися превышениями температуры их отдельных частей над температурой воздуха, не превосходящими допускаемых общесоюзными стандартами.

Другие номинальные режимы работы — кратковременный и повторно-кратковременный — характерны главным образом для электрических машин, работающих в условиях электрической тяги или обслуживающих подъемные краны, лифты, прессы и т. п.

1-5. Нагревание и охлаждение

Всякое преобразование энергии сопровождается потерями. В электрических машинах и особенно в трансформаторах потери относительно невелики, но от них зависят размеры машин и трансформаторов, а не только их коэффициент полезного действия (к.п.д.). Эти размеры рассчитываются таким образом, чтобы тепло, образующееся вследствие потерь в стали, в обмотках и на трение, могло быть отдано окружающей среде при некотором превышении температуры нагретых частей над температурой окружающей среды. Превышение температуры не должно быть больше определенных значений, зависящих от нагревостойкости примененных изоляционных материалов.

За температуру окружающей среды (воздуха) принимается условно температура 35° С. Допустимые превышения температуры над этой температурой при изоляции класса А принимаются равными 55—70° С; при изоляции класса В — 70—95° С; при изоляции классов Е, F и Н примерные допустимые значения превышений температуры соответственно равны: 70— 75, 90—105 и 115—130° С (указанные пределы допустимых значений превышения температуры зависят от выполнения обмоток и от способа измерения температуры).

Допустимые значения температуры, определенные на основании длительного опыта эксплуатации электрических машин и трансформаторов, соответствуют сроку службы изоляционных материалов примерно 20— 25 лет. Он заметно сокращается при увеличении температуры сверх допустимой При этом наблюдается более быстрое "старение" изоляции, которое проявляется прежде всего в ухудшении ее механических свойств (изоляция делается хрупкой и механически непрочной).

Отдача тепла зависит не только от размеров охлаждаемых поверхностей, но и от интенсивности движения Омывающего их воздуха (или другой охлаждающей среды). Применение правильно выбранной системы охлаждения (системы вентиляции) способствовало прогрессу электромашино- и трансформаторостроения и обусловило возможность строить машины и трансформаторы на огромные мощности (500000 кВт и выше в одной единице).

1-6. Краткие исторические сведения

Один из важнейших физических законов, определяющих принцип действия электрических машин и трансформаторов, — закон электромагнитной индукции — был установлен М. Фарадеем в 1831г.

В 1833 г. член Петербургской Академии наук и профессор Петербургского университета Э. X. Ленц представил работу, в которой он глубоко обобщил закон электромагнитной индукции, сформулировал принцип обратимости и показал, что оба явления — вращение под действием электромагнитных сил и электромагнитная индукция — теснейшим образом связаны между собой.

В последующем многие работы Э. X. Ленца были связаны с работами русского академика Б. С. Якоби — изобретателя первого электродвигателя с вращательным движением. Якоби также впервые применил коллектор, который является необходимой частью коллекторной машины.

Построенный им электродвигатель был первым в мире электродвигателем, примененным для практического использования. Двигатель был использован для приведения в движение лодки на Неве (1837 г.). Одновременно с работой по усовершенствованию своего двигателя Якоби занимался многими другими вопросами электротехники. Большое значение имели его работы по минному делу. Якоби для передачи импульсов электроэнергии к минным запалам на расстояние около 9 км применил индукционные катушки. Таким образом, была впервые осуществлена передача электроэнергии при ее трансформации при помощи индукционных катушек.

Однако изобретателем трансформатора следует считать П.Н. Яблочкова, впервые применившего его для преобразования переменного тока в установках промышленного типа в 70-х годах прошлого столетия.

Начиная с появления двигателя Якоби и до 80-х годов прошлого столетия развитие практической электротехники шло главным образом в направлении усовершенствования машины постоянного тока. Она во многих случаях вытеснила дорогие и малоэффективные гальванические элементы.

Первую практическую установку переменного тока осуществил П.Н. Яблочков в 1878 г. для питания изобретенных им «свечей Яблочкова». Им при этом был создан генератор переменного тока с обмоткой на статоре, в которой наводился переменный ток магнитным полем вращающихся электромагнитов. К обмоткам последних ток подводился при помощи контактных колец и наложенных на них щеток от особого генератора постоянного тока. Такой генератор переменного тока явился прототипом современных синхронных машин.

Индукционные катушки, как они назывались в то время, примененные Яблочковым в его установках со «свечами», имели две магнитно связанные обмотки, помещенные на разомкнутом сердечнике. Такие индукционные катушки служили для преобразования переменного тока и по существу являлись, следовательно, трансформаторами.

Несмотря на то, что к середине 80-х годов прошлого столетия преимущества переменного тока для передачи электрической энергии были выявлены, чему немало способствовали работы наших соотечественников Ф. А. Пироцкого, Д. А. Лачинова и др., все же в большинстве случаев при выборе системы тока останавливались на постоянном токе, так как не существовало еще достаточно совершенного двигателя переменного тока. Такой двигатель был создан в конце 80-х годов нашим соотечественником М. О. Доливо-Добровольским. Это был трехфазный асинхронный двигатель, который является в настоящее время наиболее распространенной электрической машиной.

1-7. Трансформаторостроение и электромашиностроение в СССР

В царской России своей электромашиностроительной промышленности совсем почти не было. Те небольшие заводы, которые существовали в Петербурге, Москве, Риге, Ревеле, не были самостоятельными. Они принадлежали иностранным фирмам, которым невыгодно было развивать электромашиностроение в России. Существовавшие заводы в действительности были скорее сборочными мастерскими, где машины обычно собирались из частей, привозившихся из-за границы.

Руководящими работниками на заводах были иностранные инженеры и техники.

Несмотря на такие условия, в России были свои талантливые инженеры и ученые. Они смогли применить в полной мере свои знания и способности только после Великой Октябрьской социалистической революции. Они сыграли немалую роль в деле развития электрификации СССР.

При их участии разрабатывался ленинский план ГОЭЛРО, расширялись и строились электрические станции и заводы электропромышленности.

Подлинного расцвета электротехника и ее важнейшая область — электромашиностроение — достигли в советское время. Быстро возникали большие заводы и электрические станции. Советские технические учебные заведения и заводы вырастали новые кадры квалифицированных специалистов, умеющих решать сложные технические задачи.

За годы советской власти, главным образом за первые две пятилетки, нашему электромашиностроению пришлось пройти путь, который заграничная техника проходила в течение почти полувека.

Быстро осваивая новые типы машин, широко внедряя в производство социалистические формы труда, на базе широкого планирования, электромашиностроительная промышленность СССР качественно и количественно достигла уже к концу второй пятилетки уровня заграничной техники.

Все основные и специальные типы трансформаторов и электрических машин — машины постоянного и переменного тока, крупнейшие генераторы и трансформаторы — изготовляются в настоящее время на заводах СССР. Успехи советского электромашиностроения обусловлены самой системой нашего планового хозяйства и стремлением советских людей работать ради общего подъема всего народного хозяйства.

Мощь нашей техники особенно сказалась в годы Великой Отечественной войны и в послевоенные годы. В это время были созданы новые электромашиностроительные заводы, которые снабжали промышленность необходимыми электрическими машинами и трансформаторами

В настоящее время мы имеем электромашиностроительные заводы почти во всех республиках Советского Союза, которые выпускают ежегодно миллионы электрических машин и трансформаторов самых различных типов на мощности от долей ватта до сотен тысяч киловатт

Советские электромашииостроители сохранили лучшие традиции своих знаменитых соотечественников — В В. Петрова, Э X. Ленца, Б. С. Якоби, А. Г. Столетова, П. Н. Яблочкова, Д. И. Лачинова, М. О. Доливо-Добровольского и других выдающихся ученых и инженеров, работавших в прошлом столетии, с самого начала развития электротехники, и много сделавших в этой области своими научными открытиями и изобретениями.

Советские ученые и инженеры в последние годы далеко шагнули вперед.

В Советском Союзе созданы такие машины, как турбогенераторы на 320000 кВт и 3000 об/мин, крупнейшие в мире по размерам гидрогенераторы, мощные трансформаторы на 500 кВ, многие типы нормальных и специальных электрических машин и трансформаторов. Мы теперь имеем много высококвалифицированных специалистов, число которых непрерывно растет.

Необходимо упомянуть коллективы заводов «Электросила» имени С. М. Кирова в Ленинграде, «Динамо» имени С. М. Кирова в Москве, ХЭМЗ и завода тяжелого электромашиностроения в Харькове, ЯЭМЗ в Ярославле, «Уралэлектроаппарат» в Свердловске, МТЗ (Московский трансформаторный завод) имени В. В. Куйбышева в Москве, имеющие большие достижения.

Глава 2. Трансформаторы

2-1. Общие определения

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат с двумя (или больше) обмотками, имеющими между собой магнитную связь, осуществляемую переменным магнитным полем, и служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при сохранении частоты тока неизменной.

Для усиления магнитной связи между обмотками они помещаются на стальном сердечнике (рис. 2-1). Трансформаторы, не имеющие стального сердечника, называются воздушными. Они применяются в специальных случаях при преобразовании переменных токов высокой частоты (от 10000— 20000 Гц и выше). Мы будем рассматривать трансформаторы со стальным сердечником.

Рис. 2-1. Двухобмоточный трансформатор.
Г — генератор переменного тока.

Трансформатор имеет не меньше двух обмоток; из них первичной обмоткой 1 называется обмотка, которая получает энергию преобразуемого переменного тока, вторичными обмотками 2 — обмотки, которые отдают энергию преобразованного переменного тока.

Трансформаторы применяются в основном для преобразования однофазного и трехфазного тока. В соответствии с этим различают однофазные и трехфазные трансформаторы.

Впервые трансформаторы получили техническое применение в схемах со свечами Яблочкова. П. Н. Яблочков разработал конструкцию однофазного трансформатора с разомкнутым сердечником и при своих опытах, а также при эксплуатации своих осветительных установок выявил основные его свойства.

Техническое применение для передачи электрической энергии на дальние расстояния трансформаторы начинают получать в конце 80-х годов прошлого столетия.

В системе электропередачи трансформаторы являются необходимыми элементами. Передача большой мощности на дальние расстояния практически может быть осуществлена только при относительно небольшом значении тока и, следовательно, при высоком напряжении.

В начале линии электропередачи устанавливаются трансформаторы, повышающие напряжение переменного тока, вырабатываемого на электрических станциях. Напряжение в начале линии электропередачи берут тем выше, чем больше длина линии и передаваемая мощность. Оно достигает 220—250 кВ при расстоянии 200— 400 км и при мощности 300— 200 тыс кВт. При расстоянии около 1000 км и мощности порядка 1 млн кВт (например, для электропередачи Куйбышев — Москва и Волгоград — Москва) требуется напряжение 400—500 кВ.

В конце линии электропередачи, устанавливаются понижающие напряжение трансформаторы, так как для распределения энергии по заводам, фабрикам, жилым домам и колхозам необходимы сравнительно низкие напряжения.

Впервые трехфазная линия электропередачи высокого напряжения (15000 В; из Лауфена на Неккаре до Франкфурта-на-Майне, протяженность около 175 км), положившая начало широким работам по электрификации, была построена при ближайшем участии русского инженера М.О. Доливо-Добровольского. Им же были разработаны конструкции трехфазных трансформаторов, основные черты которых сохранились до настоящего времени.

В настоящее время трансформаторы находят себе самое широкое применение. Существует очень много разнообразных типов их, различающихся как по назначению, так и по выполнению.

Прежде всего нужно выделить группу силовых трансформаторов, которым будет уделено основное внимание в последующем изложении. Это те трансформаторы, которые устанавливаются в начале и конце линий электропередачи, на заводах и фабриках, в жилых домах, при электрификации сельского хозяйства. Такие трансформаторы строятся на мощности от нескольких до десятков тысяч киловольт-ампер.

Переменный ток по пути от электрической станции, где он создается, до потребителя обычно приходится трансформировать 3—4 раза. Отсюда следует, что мощность силовых трансформаторов, необходимых для передачи и распределения электроэнергии, в 3—4 раза больше мощности установленных на электрических станциях генераторов.

Каждый трансформатор снабжается щитком, прикрепленным на видном месте, с указанными на нем номинальными величинами. Последние характеризуют режим работы, для которого трансформатор предназначен. На щитке трансформатора указываются следующие номинальные величины:

1. кажущаяся мощность, ВА или кВА;

2. линейные напряжения, В или кВ;

3. линейные токи, А, при номинальной мощности;

4. частота, Гц;

5. число фаз;

6. схема и группа соединений (§ 2-12);

7. напряжение короткого замыкания (§ 2-7);

8. режим работы (длительный или кратковременный);

9. способ охлаждения.

Кроме того, на щитке трансформатора приводятся дополнительные данные, необходимые при установке и эксплуатации трансформатора:

10. полный вес трансформатора;

11. вес масла;

12. вес выемной (внутренней, опущенной в масло) части трансформатора.

2-2. Основные элементы устройства

Основными частями трансформатора являются его сердечник и обмотки. Сердечник для уменьшения потерь от вихревых токов собирается из листов специальной электротехнической стали с относительным содержанием кремния до 4—5%. Толщина стали берется 0,5 или 0,35 мм (еще более тонкие листы применяются при повышенной частоте тока). Листы перед сборкой сердечника покрываются с обеих сторон лаком, что дает более прочную и тонкую изоляцию между листами, чем бумага, которой иногда оклеиваются листы до нарезки их на полосы.

Сердечник состоит из стержней, на которых помещаются обмотки, и ярм, которые замыкают стержни и не имеют обмоток. Сборка листов (полос) сердечника производится, как правило, "внахлестку". Таким путем удается свести до весьма малого значения магнитные сопротивления стыков между стержнями и ярмами.

На рис. 2-2 показаны отдельные слои листов, из которых состоит сердечник однофазного трансформатора, а на рис. 2-3 — два слоя листов сердечника трехфазного трансформатора.

Рис. 2-2. Листы сердечника однофазного трансформатора при сборке их «внахлестку».

Рис. 2-3. Листы сердечника трехфазного трансформатора при сборке их «внахлестку».

Листы сердечника стягиваются при помощи накладок и шпилек, изолированных от листов (рис. 2-4). Листы верхнего ярма окончательно закладываются и затем стягиваются, после того как помещены обмотки на стержнях сердечника (рис. 2-5).

Рис. 2-4 Изоляция шпильки, стягивающей листы сердечника.

Рис. 2-5. Сборка сердечника трехфазного трансформатора.

Различные формы сечения стержня и ярма представлены на рис. 2-6 и 2-7. Сечение по рис. 2-6,а применяется лишь для небольших трансформаторов; сечения по рис 2-6,б и в применяются для трансформаторов средней и большой мощности. При большом числе ступеней сечения его периметр приближается к окружности, и, следовательно, при том же сечении стержня уменьшается средняя длина витка обмоток, а при этом и количество расходуемой обмоточной меди.

Рис. 2-6. Форма сечения стержней.

Рис. 2-7. Формы сечения ярма.

По выполнению сердечника принято различать два типа трансформаторов: стержневой и броневой. Стержневой тип трансформатора (рис. 2-5) получил преобладающее применение на практике. Однофазный броневой трансформатор показан на рис. 2-8. Из броневых трансформаторов в Советском Союзе получили некоторое распространение однофазные броневые трансформаторы малой мощности: радиотехнические, звонковые и др.

Рис. 2-8. Однофазный броневой трансформатор с дисковыми чередующимися обмотками.

Обмотки трансформаторов выполняются в виде цилиндрических катушек из проводников круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или специальной (кабельной) бумагой.

В зависимости от номинального напряжения следует различать обмотку низшего напряжения и обмотку высшего напряжения Обмотка низшего напряжения (НН) помещается ближе к стержню, а обмотка высшего напряжения (ВН) — снаружи; она охватывает обмотку низшего напряжения (рис. 2-9). При таком расположении обмоток уменьшается расход изоляционных материалов, так как обмотка высшего напряжения относительно стержня будет иметь собственную изоляцию и изоляцию обмотки низшего напряжения. Обмотки, показанные на рис. 2-9, называются концентрическими.

Рис. 2-9. Однофазный стержневой трансформатор с концентрическими обмотками.

Иногда каждую из обмоток разделяют на отдельные катушки и располагают их на стержне в чередующемся порядке, как показано на рис. 2-10. Такие обмотки называются дисковыми чередующимися. Они на практике встречаются редко и применяются главным образом для броневых трансформаторов (рис. 2-8).

Рис.2.10. Дисковая чередующаяся обмотка.

Трансформаторы выполняются с воздушным и масляным охлаждением. Первые называются сухими, вторые — масляными. В масляных трансформаторах сердечник вместе с обмотками помещается в баке с маслом. Масляные трансформаторы более надежны в работе. Масло предохраняет изоляцию обмоток от вредного воздействия воздуха, улучшает условия охлаждения обмоток и сердечника, так как имеет большую теплопроводность, чем воздух; кроме того, вследствие большой диэлектрической прочности позволяет сократить изоляционные расстояния, т. е. расстояния от меди обмоток до стали сердечника.

2-3. Холостой ход трансформатора

Под холостым ходом трансформатора понимается режим его работы при разомкнутой вторичной обмотке. В этих условиях трансформатор со стороны первичной обмотки во всем подобен катушке со стальным сердечником.

Обратимся к рис. 2-11, где схематически изображен однофазный трансформатор. Здесь первичная обмотка с числом витков w₁ и вторичная обмотка с числом витков w₂ расположены для наглядности на разных стержнях.

Рис. 2-11. Холостой ход трансформатора.

Пусть к первичной обмотке при разомкнутой вторичной подведено напряжение и₁. По первичной обмотке будет протекать ток i₀. В трансформаторе возникнет магнитное поле, которое будет создаваться намагничивающей силой (н.с.) i₀w₁ первичной обмотки. Магнитным полем вне сердечника можем вначале пренебречь, так как магнитная проницаемость стали во много раз больше магнитной проницаемости воздуха (или масла).

Полю в сердечнике соответствует магнитный поток Ф, сцепляющийся со всеми витками обеих обмоток. Он будет наводить в первичной обмотке э.д.с.

(2-1)

и вторичной обмотке э.д.с.

. (2-2).

Напряжение на зажимах первичной обмотки

Активное падение напряжения в первичной обмотке имеет практически ничтожное значение. Поэтому можно считать, что первичное напряжение в любой момент времени уравновешивается только э.д.с. . Если напряжение представляет собой синусоидальную функцию времени, то, следовательно, э.д.с. и наводящий её поток Ф — также синусоидальные функции времени. Подставив в (2-1) и (2-2) Ф = Ф_мsin ωt, где Ф_м—амплитуда потока, ω = 2πf — угловая частота тока, t — время, c, получим:

(2-3)

(2-4)

Полученные уравнения показывают, что и отстают по фазе от потока Ф
на угол . Действующие значения обеих э.д.с. соответственно равны:

(2-5)

(2-6)

где Ф_м — в В∙с.

Из (2-5) и (2-6) следует:

(2-7)

Так как при холостом ходе и , то можем написать:

(2-8)

Отношение напряжений при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации. Обычно берется отношение высшего напряжения к низшему. Если при холостом ходе трансформатора к его первичной обмотке подведено номинальное напряжение U_1н, указанное на щитке трансформатора, то на зажимах вторичной обмотки должно получиться вторичное номинальное напряжение U₂₀ = U_2н.

Вследствие перемагничивания стали сердечника в нем возникают магнитные потери, т. е. потери от гистерезиса и вихревых токов. Можно считать, что мощность P₀, потребляемая трансформатором при холостом ходе и напряжении U₁ = U_1н, идет только на покрытие магнитных потерь Р_с, так как при этом электрические потери практически ничтожны. Следовательно, ток холостого хода I₀ наряду с реактивной составляющей I₀_p имеет активную составляющую I_0а, т. е.

(2-9)

Реактивная составляющая I₀_р, которую называют также намагничивающим током, идет на создание магнитного поля в сердечнике трансформатора. Ее значение определяется из расчета магнитной цепи трансформатора (§2-14).

Активная составляющая тока холостого хода I₀_а определяется по формуле

(2.10)

Магнитные потери могут быть рассчитаны по обычным формулам (§ 2-14).

Приложенное к первичной обмотке напряжение , как отмечалось, уравновешивается в основном э.д.с. . Поэтому при синусоидальном мы можем написать векторное (комплексное) уравнение

(2-11)

Следовательно, векторная диаграмма трансформатора при его холостом ходе будет иметь вид, представленный на рис. 2-12.

Рис. 2-12. Векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе.

Она отличается от диаграммы для реактивной катушки со стальным сердечником только наличием вектора вторичной э.д.с. Так же как и для реактивной катушки со стальным сердечником, можно написать:

(2-12)

здесь

(2-13)

2-4. Работа при нагрузке

А) Первичный ток.

Работа трансформатора при нагрузке характеризуется наличием тока I₂ во вторичной обмотке, увеличение которого (как будет ясно из последующего) вызывает увеличение тока I₁ в первичной обмотке.

При нагрузке трансформатора магнитный поток Ф в его сердечнике, называемый главным потоком, создается согласно закону полного тока совместным действием н.с. обеих обмоток:

(2-14)

где — мгновенные значения токов, причем в общем случае отличается от мгновенного значения тока холостого хода.

Так как мы принимаем токи синусоидальными, то можем написать (рис. 2-1):

(2-15)

Результирующая н.с. должна иметь такое значение, чтобы создаваемый ею поток наводил в первичной обмотке э.д.с. Е_\_, почти полностью уравновешивающую приложенное напряжение U₁. Поток в сердечнике трансформатора и результирующая н.c. при нагрузке, не превышающей значительно номинальную, мало отличаются от тех же потока и н.с. первичной обмотки при холостом ходе, если в обоих случаях напряжение U₁ сохраняет свое значение.

Разделив обе части равенства (2-15) на w₁, получим:

(2-16)

или

(2-17)

где

(2-18)

— вторичный ток, приведенный к числу витков первичной обмотки.

Очевидно, что вторичная обмотка с током должна иметь число витков w₁, чтобы ее н.с. была равна н.с. действительной вторичной обмотки. При этом вместо уравнения н.с. (2-15) можно пользоваться уравнением токов (2-17).

Из (2-17) получаем значение первичного тока I₁

(2-19)

Мы видим, что первичный ток имеет две составляющие: одна из них ( ) идет на создание потока в сердечнике трансформатора, другая ( ) компенсирует размагничивающее действие вторичного тока. Следовательно, при увеличении вторичного тока будет увеличиваться и первичный ток, чтобы поток оставался почти равным потоку при холостом ходе.

Так как ток I₀ имеет относительно небольшое значение, то при токах, близких к номинальным, можно принять

Б) Уравнения напряжений.

Будем вначале считать, что потокосцепления обмоток трансформатора пропорциональны их токам и что магнитные потери в сердечнике отсутствуют (такие условия получаются в воздушном трансформаторе). При этом, так же как для двух магнитно связанных контуров, можем написать следующие уравнения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора:

; (2-20)

, (2-21)

где u₁ и u₂ — мгновенные значения первичного и вторичного напряжений;
L₁, L₂и М — полные индуктивности и взаимная индуктивность обмоток;
r₁ и r₂ — их активные сопротивления.

Первичное напряжение u₁ имеет составляющие, уравновешивающие э.д.с. cамоиндукции и взаимоиндукции , и составляющую, равную активному падению напряжения i₁r₁. Вторичное напряжение u₂ получается после вычитания из результирующей э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции активного падения напряжения i₂r₂.

Полагая, так же как и в предыдущем, что в сердечнике трансформатора имеет место главный поток Ф, который создается результирующей н.с. i₀w₁ мы можем для токов i₁, и i₂ согласно (2-14) написать следующие равенства:

(2-22)

(2-23)

Подставив (2-23) в (2-20) и (2-22) в (2-21), получим:

(2-24)

(2-25)

или

(2-24a)

(2-25a)

где и — индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток; им соответствуют э.д.с. рассеяния:

; (2-26)

(2-27)

Электродвижущие силы

(2-28)

(2-29)

рассматриваются как э.д.с., наведенные главным потоком Ф.

Приведем здесь уравнения, относящиеся к общей теории двух магнитно связанных обмоток. Для потокосцеплении этих обмоток можем написать:

(2-30)

(2-31)

Вычтем и прибавим с правой стороны написанных равенств одни и те же величины:

Здесь коэффициенты и имеют произвольные значения.

Будем называть величины

главными потокосцеплениями обмоток, а величины

их потокосцеплениями рассеяния.

Главными индуктивностями обмоток назовем величины

Общий коэффициент рассеяния равен:

(2-32)

Коэффициенты рассеяния обмоток равны отношениям индуктивностей рассеяния к главным индуктивностям:

и . (2-33)

Между произвольными значениями коэффициентов λ₁ и λ₂ можно установить простое соотношение. Для этого примем (с физической стороны это легко себе представить), что общий коэффициент рассеяния стремится к нулю (σ → 0), если при этом индуктивности рассеяния стремятся к нулю. Вводя и в (2-32) и принимая и равными нулю, получим для σ → 0:

(2-34)

Отсюда имеем:

Мы видим, следовательно, что, хотя общий коэффициент рассеяния σ определяется однозначно, отдельные коэффициенты рассеяния σ₁ и σ₂ являются произвольными, так же как λ₁ и λ₂.

Подразделяя произведение λ₁λ₂ любым образом на λ₁ и λ₂ можно потокосцепления рассеяния приписать одной или другой обмотке или обеим обмоткам. Мы не имеем также достаточно данных, чтобы однозначно определить главный поток, о котором говорилось ранее. Однако внести определенность в понятия индуктивностей рассеяния мы можем только в том случае, если допустим, что в трансформаторе существует главный поток Ф, созданный н.с. обеих обмоток и сцепляющийся со всеми их витками. Такое допущение, очевидно, в большой степени оправдывается в применении к нормальным трансформаторам со стальным сердечником.

Мы можем теперь написать:

Отсюда получаем:

Так как полученное равенство должно быть справедливо при любых значениях и , то выражения в скобках по отдельности должны быть равны нулю; следовательно, и что мы и получили ранее в дифференциальных уравнениях, допустив, что в трансформаторе существует главный поток Ф, созданный результирующей н.с.

Теория электрических машин также основана, как мы покажем в дальнейшем, на допущении существования главного потока, не зависящего от полей рассеяния.

Считая, что токи и э.д.с. уравнений (2-26)—(2-29) изменяются во времени по закону синуса, мы можем эти уравнения переписать в комплексной форме:

(2-35)

В равенствах (2-35) и — индуктивные сопротивления рассеяния обмоток, а — индуктивное сопротивление взаимоиндукции обмоток.

Ранее при рассмотрении режима холостого хода мы пренебрегали полем вне сердечника трансформатора. В действительности это поле согласно закону полного тока должно существовать. Оно называется полем рассеяния. Созданные им потокосцепления обмоток малы по сравнению с потокосцеплениями обмоток, созданными главным потоком. С большим приближением к действительным условиям можно считать, что поле рассеяния и поле в сердечнике, соответствующее главному потоку, существуют независимо одно от другого.

На рис. 2-13 представлена приближенная картина поля рассеяния, которую кладут в основу расчета потокосцеплений рассеяния. Здесь пунктирной линией показан путь главного потока Ф, сплошными линиями показаны индукционные линии поля рассеяния. Они могут быть условно разделены на две группы: сцепляющиеся с первичной обмоткой и сцепляющиеся со вторичной обмоткой. Магнитные сопротивления для потоков соответствующих индукционных трубок рассеяния определяются в основном сопротивлениями тех их частей, которые проходят вдоль обмоток и в промежутке между ними Их можно принять постоянными, поскольку потоки трубок проходят по материалам (медь, изоляция, воздух или масло), для которых μ = const. Магнитными сопротивлениями потоков трубок вне обмоток и промежутка между ними можно пренебречь, так как здесь они проходят в основном по стали сердечника.

Рис. 2-13. Приближенная картина поля рассеяния трансформатора с концентрическими обмотками, где крестиками и точками условно показаны направления токов в обмотках для рассматриваемого момента времени.

Таким образом, потокосцепления рассеяния и созданные ими э.д.с. рассеяния можно принять пропорциональными н.с. или токам соответствующих обмоток и считать индуктивности L_σ1 и L_σ2, а следовательно и , постоянными величинами. Индуктивное сопротивление взаимоиндукции зависит от Ф, однако в пределах небольшого изменения Ф_м и, следовательно, Е₁ можно принять также постоянным.

С учетом приведенных равенств (2-35) уравнения напряжений (2-24а) и (2-25а) для установившегося режима могут быть написаны в комплексной форме:

(2-36)

(2-37)

Уравнения (2-36) и (2-37) называются векторными уравнениями напряжений трансформатора (здесь имеются в виду временные векторы напряжений, э.д.с. и токов).

В реальном трансформаторе со стальным сердечником при его работе возникают магнитные потери. Для их учета мы должны считать, так же как при холостом ходе, что ток имеет наряду с реактивной составляющей активную составляющую [см. уравнения (2-9) — (2-13)]; однако обе эти составляющие мы должны отнести не к а к , так как они зависят от Ф_м.

Вследствие нелинейной связи между потоком Ф и результирующим током кривая последнего при синусоидальном потоке Ф будет несинусоидальной (§ 2-13). Для облегчения анализа зависимостей, характеризующих работу трансформатора, ток принимается синусоидальным с действующим значением, равным тому же значению действительного тока. Такое допущение не может привести к заметной ошибке из-за относительной малости тока .

⇐ Назад