Электротехника и электроника (стр. 14 из 19)

Автотрансформатор отличается от электротрансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку – обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения (рис. 7.6).

Обмотка высокого напряжения автотрансформатора может быть первичной (рис. 7.6,а) и вторичной (рис.7.6,б).

Напряжения и токи автотрансформатора связаны теми же приближенными соотношениями, что и в электротрансформаторе, если пренебречь резистивными сопротивлениями обмоток 0 ) и

индуктивными сопротивлениями потоков рассеяния (x_LS1

I1 .

2 2 I2

Ток в общей части обмотки равен разности первичного I^&₁ и вторичного токов (рис.7.6).

Если коэффициент трансформации лишь немного отличается от единицы, то действующие значения токов I₂ и I₁ и их фазы почти одинаковы и их разность ( I₂- I₁) мала по сравнению с каждым из них.

Поэтому общую часть первичной и вторичной обмоток можно сделать из значительно более тонкого провода, то есть стоимость обмотки автотрансформатора меньше, чем обмоток электротрансформатора и для ее размещения требуется меньше места.

Расчетная полная мощность общей части обмотки автотрансформатора

SU₂( I₂ I₁ ) U₂I₂(1 w₂ / w₁ ).

Расчетная полная мощность остальной части обмотки

S I₁(U₁ U₂ ) U₁I₁(1 w₂ / w₁ ).

А так как приближенно ^U₂ ^I₂ ^U₁ ^I₁, то S' S" S_ат.

. .

I1 I2

a) б)

Рисунок 7.6 – Схема автотрансформаторов с первичной обмоткой высшего напряжения (а) и первичной обмоткой низшего напряжения (б)

Расчетная полная мощность каждой из обмоток обычного трансформатора

ST I2U2 U1I1.

Следовательно, при одной и той же полной мощности в сопротивлении нагрузки получается следующее соотношение между расчетными полными мощностями автотрансформатора и электротрансформатора

^SAT,

SЭТ 1

то есть чем меньше различаются числа витков w₂ и w₁ (коэффициент трансформации К близок к единице), тем выгоднее применять автотрансформатор.

Так как первичная и вторичная цепи автотрансформатора электрически соединены, то при высоком напряжении на первичной стороне и большом коэффициенте трансформации (например, К =6000 В/220 В), при пользовании вторичным напряжением необходимо принимать дополнительные меры к обеспечению безопасности и усилению изоляции вторичной электрической цепи.

Широкое применение находят лабораторные маломощные автотрансформаторы (ЛАТРы), позволяющие изменениям положения точки

а (рис.7.6.) регулировать вторичное напряжение.

8 Электрические машины

8.1 Общие сведения

Электрическая машина – электромагнитное устройство, состоящее из статора и ротора, и преобразующее механическую энергию в электрическую (генераторы) или электрическую в механическую (электрические двигатели).

Принцип действия электрических машин основан на законах электромагнитной индукции, Ампера и явлении вращающегося магнитного поля.

Согласно закону электромагнитной индукции, открытому М.

Фарадеем в 1831г, в проводнике, помещенном в магнитное поле и

r

движущемся относительно него со скоростью _V наводится ЭДС E , направление которой определяется правилом буравчика или правилом

a) б)

правой руки (рис.8.1).

Рисунок 8.1 - Иллюстрация к закону электромагнитной индукции (а), и закону Ампера (б)

Если проводник длиной l равномерно движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то значение наводимой в проводнике ЭДС равно

E V B l, (

8

.

1

)

где В - индукция магнитного поля.

Согласно закону Ампера на проводник с током I , помещенный в магнитное поле, действует сила, направление которой определяется правилом буравчика или правилом левой руки, а значение по формуле:

F_A

(

8

.

2

r _r )

где направление тока I , магнитной индукции B и силы F_A взаимно перпендикулярны.

\

8.2 Вращающееся магнитное поле

Важным преимуществом трехфазного тока является возможность получения вращающегося магнитного поля, лежащего в основе принципа действия электрических машин – асинхронных и синхронных двигателей трехфазного тока.

Рисунок 8.2 - Схема расположения катушек при получении вращающегося магнитного поля (а) и волновая диаграмма трехфазной симметричной

системы токов, текущих по катушкам (б)

Вращающееся магнитное поле получают, пропуская трехфазную систему токов (рис.8.2,б) по трем одинаковым катушкам А,В,С (рис.8.2,а), оси которых расположены под углом 120⁰ относительно друг друга.

На рисунке 8.2,а показаны положительные направления токов в катушках и направления индукций магнитных полей В_А,В_В,В_С, создаваемых каждой из катушек в отдельности.

На рисунке 8.3 показаны действительные направления токов для

T T 3T

моментов времени t 0,t ,t ,t и направления индукции

4 2 4

B_рез результирующего магнитного поля, создаваемого тремя катушками.

Анализ рисунка 8.3 позволяет сделать выводы:

а) индукция B_рез результирующего магнитного поля с течением времени меняет свое направление (вращается);

б) частота вращения магнитного поля такая же, как и частота изменения тока. Так, при f =50 Гц вращающееся магнитное поле совершает пятьдесят оборотов в секунду или три тысячи оборотов в минуту.

Значение индукции результирующего магнитного поля постоянно:

Bрез1,5Вm,

где B_m - амплитуда индукции одной катушки.

A A x x

Рисунок 8.3 - Направление индукции вращающегося магнитного поля в различные моменты времени

8.3 Асинхронные машины

8.3.1 Принцип действия асинхронного двигателя (АД). Поместим между неподвижными катушками (рис.8.4) в области вращающегося магнитного поля, укрепленный на оси подвижный металлический цилиндр – ротор.

Пусть магнитное поле вращается «по часовой стрелке», тогда цилиндр относительно вращающегося магнитного поля вращается в обратном направлении.

Учитывая это, по правилу правой руки найдем направление наведенных в цилиндре токов.

На рисунке 8.4 направления наведенных токов (вдоль образующих цилиндра) показаны крестиками («от нас») и точками («к нам»).

Применяя правило левой руки (рис.8.4,б) получаем, что взаимодействие наведенных токов с магнитным полем порождает силы F , приводящие во вращательное движение ротор в том же направлении, в каком вращается магнитное поле.

Частота вращения ротора

меньше частоты вращения магнитного поля , т.к. при одинаковых угловых скоростях относительная скорость ротора и вращающегося магнитного поля была бы равна нулю, и в роторе не было бы наведенных ЭДС и токов.

Следовательно, не было бы сил F , создающих вращающий момент. Рассмотренное простейшее устройство поясняет принцип действия асинхронных двигателей. Слово «асинхронный» (греч.) означает неодновременный. Этим словом подчеркивается различие в частотах вращающегося магнитного поля и ротора – подвижной части двигателя.

Рисунок 8.4 – К принципу действия асинхронного двигателя

Вращающееся магнитное поле, создаваемое тремя катушками, имеет два полюса и называется двухполюсным вращающимся магнитным полем (одна фаза полюсов).

За один период синусоидального тока двухполюсное магнитное поле делает один оборот. Следовательно, при стандартной частоте f =50 Гц это поле делает три тысячи оборотов в минуту. Скорость