Дәріс конспектісі

Электр машиналарының анықтамасы және классификациясы. Трансформаторлардың құрылысы мен жұмыс істеу принципі. ЭҚК теңдеу. Келтірілген трансформатор. Электрлік алмастыру схемасы. Бос жүріс режимі.

Кіріспе. Электр машиналарының анықтамасы және классификациясы.

Электр машиналары электр қондырғыларының негізгі элементтері болып табылады. Олар электр энергияның көзі (генераторлар) ретінде, зауыттарда және фабрикаларда, ауыл шаруашылығында, құрылыс жұмыстарында әртүрлі жұмысшы механизмдерді қозғалысқа келтіретін қозғалтқыш ретінде қолданылады.

Механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіру үшін арналған электр машиналары генераторлар деп аталады, ал керісінше электр энергиясын механикалық энергияға түрлендіру үшін арналған электр машиналары қозғалтқыштар деп аталады.

Электр машиналары сонымен қатар ток түрін (мысалы, айнымалы токты тұрақты токқа), жиілікті және айнымалы ток фазалар санын, бір кернеудегі тұрақты токты басқа кернеудегі тұрақты токқа түрлендіру үшін қолданылады. Мұндай машиналар электрмашиналық түрлендіргіштер деп аталады.

Электр машинасы екі негізгі бөліктен тұрады – айналатын ротордан, және қозғалмайтын статордан (1.1-сурет).

1.1-сурет. Электр машинасының қарапайым құрылымдық схемасы

1 – статор; 2 – ротор; 3 – подшипниктер.

Электр машиналарына сонымен қатар трансформаторды да жатқызады. Трансформатор дегеніміз электр энергиясын кернеуі бойынша түрлендіруге және кернеуді реттеуге арналған электрмагниттік қүрылғы.

Трансформатор латынша түрлендіру деген ұғымды білдіретін сөз.

Қазіргі түріндегі трансформаторды мадияр оқымыстылары М.Дери, О.Блати және К.Циперновскийлер 1885 жылдары ойлап шығарған.

Трансформатор қажетті электр энергиясын таратқан кездегі шығынын азайту және сымдық материалды үнемдеу мақсатынан келіп туған. Оны мынадай қарапайым мысалдан айқын көруге болады.

Қуаты S=1000 кВА электр энергиясын l км қашықтыққа U₁=10кВ кернеумен әуе желісі арқылы жеткізу керек екен делік.

Ток күші

(1.1)

Токтың тығыздығын деп алса, мұндай ток үшін көлденең қимасының ауданы

(1.2)

сым керек болады.

Енді осы электр энергиясын сол қашықтыққа U₁=110кВ кернеумен жеткізетін болса, ток күші

(1.3)

Мұндай ток үшін, қабылдап алған токтын тығыздығында, сымның көлденең қимасының ауданы

. (1.4)

Бірінші нұсқа үшін С кг сым керек болса, екінші нұсқа үшін С кг сым керек болады. Мұндағы G , G — сәйкесті нұсқадағы сымның массалары да, ал у — сым материалының үлесті тығыздығы. Егер осы екі нұсқадағы сым массаларының қатынасын тапса

G (1.5)

Бұл кернеудің деңгейін арттырса, токтың азаюына байланысты жіңішке сым алуға, ендеше желілік сымның массасын азайтуға болатынын көрсетеді.

Сыммен ток жүргсн кезде ол қызады: мұнда электр энергиясы жылу энергиясына түрленеді де электр кабылдағышқа жетпей электр желісінің бойында шыгындалады. Шығындалған энергияның куаты

, (1.6)

мұндағы : Р , Р₂ — бірінші және екінші нұсқаларда шығын болған энергияның қуаты; р — сым материалының үлесті кедергісі. Осы екі тендіктің катынасын алса

, . (1.7)

Бұдан кернеудің деңгейін арттырса, сымдағы токтың азаюына байланысты, ондағы электр энергиясының шығынының азаятындығы көрініп түр.

Сонымен, егер электр энергиясын алыска беруде кернеудің деңгейін арттырса, онда желіде энергияның шығыны азаяды және сымдық материал үнемделеді. Осы мақсатта кернеудің деңгейін реттеу үшін трансформатор ойлап табылған.

Өндірістің және техниканың дамуына байланысты номинал кернеуі әр түрлі құрылғылар пайда болды: 50...70 В-тік пісірістіру транс-форматорлары, 12...40 В-тік апаттық жарықтандыру шамдары, түрлендіргіштер, электрондық құрылғылар және т.б. Осы кұрылғылардың барлығында да трансформаторлар пайдаланылады. Электр өлшеу жұмыстарында кернеулік және токтық өлшеуіштік трансформаторлар колданылады.

Электрмен жабдықтау жүйелерінде, электр тораптарында қолданылатын трансформаторларды күштік трансформаторлар деп атайды. Электр станцияларында кернеуді жоғарылатқыш куштік трансформаторлар қойылса, электр қабылдағьштар қасында төмен-деткіш күштік трансформаторлар қойылады. Өйткені электр қабыддағыштар мен генераторлар 10 кВ кернеуге дейін ғана есептеліп жасалған. Әдетте генераторлардың кернеуі 6,3 немесс 10,5 кВ болада. Бұл кернеулер, желідегі энергияның шығыны өте үлкен және көп сымдық материал керек болатындықтан, злектр энергиясын алысқа беруге жарамайды. Сондықтан трансформаторлардың кернеулері әртүрлі және генераторлардың кернеуіне қарағанда әлдеқайда жоғары болады.

Номинал кернеулердің мәндері

Қуаттың мәндерін кернеудің мәндері секілді МСт бекіткен. Күштік трансформаторлардың қуаты 10 кВА-ден 1 млн.кВА-ге дейін үлкен аралықты алып жатады.

Куаты аз трансформаторлар да кеңінен тараған: олар негізінен әр түрлі қуаты аз электрлік құрылғыларда, радиотехникада және автоматикада қолднылады.

Трансформаторлардың құрылысы мен жұмыс істеу принципі.

Трансформаторлар оларға берілетін кернеудің санына қарай бір фазалы және үш фазалы, кернеуді реттеуіне қарай жоғарылатқыш және төмендеткіш болып бөлінеді.

1.2-сурет. Бір фазалы трансформатордың схемалық құрылысы мен шартты белгілері.

Трансформаторлар әр түрлі міндет атқарғанмен олардың негізгі кұрылысы және жұмыс істеу принциптері бірдей. Сондықтан трансформатордың жұмыс істеу принципін және әр түрлі әлпілерін бір фазалы трансформатор арқылы қарастыруға болады.

Трансформатор ферромагнитті магнит өткізгіш өзектен және кем дегенде екі орамадан тұрады (1.2-сурет). Орамалар трансформаторлардың түріне қарай өзекте бірінің үстіне екіншісі, қатар немесе әр жерге орналасуы мүмкін.

Орамалардың бірі кернеу көзіне қосылады да кірмелік (бірінші реттік) орама деп, ал екіншісінің қысқыштарына электр кабылдағыштар қосылады да шықпалық (екінші реттік) орама деп аталады. Орамалардың орамдары бір-бірінен және өзектен изоляцияланған.

Өзек қалыңдығы 0,3...0,5 мм трансформаторлық болат табақшалардан жиналған. Энергияның өзектегі шығынын азайту үшін табақшалар бір-бірінен және орамалардан оқшауланған.

Кірмелік ораманы айнымалы кернеу көзіне қосқан кезде онымен айнымалы ток жүреді. Бұл ток ораманың айнымалы магнит өрісін коздырады, ал ферромагнит өзек ораманың ішінде орналаскандықтан магниттеніп, ораманың магнит өрісін күшейтеді және магнит күш сызықтарын бойымен таратады.

Айнымалы магнит ағыны шықпалық ораманы қиып өтіп жататындықтан электрмагниттік индукция заңы бойынша онда айнымалы ЭҚК тудырады:

(1.8)

мұндағы: W₂ – шықпалық ораманың орам саны; dФ/dt – магнит ағынының өзгеру жылдамдығы.

Трансформатордың жұмыс істеу принципі міне осылайша түсіндіріледі.

Бұл жерде ескеретін бір жәйт – ол трансформатордың тек қана айнымалы ток тізбегінде жұмыс істей алатындығы, яғни айнымалы кернеуді ғана түрлендіретіндігі. Себебі тұрақты ток тұрақты магнит өрісін қоздырады. Ал тұрақты магнит өрісі қозғалмай тұрған өткізгіште ЭҚК тудырмайды.

Екінші ескеретін жәйт – ол трансформатор өзегінің тек қана ферромагнитті материалдан жасалатындығы. Өйткені ферромагнитті емес материал (мысалы, аллюминий, мыс, қола, т.б.) магниттенбейді, сондықтан ол магнит өткізгіш бола алмайды.

ЭҚК теңдеуі.

Трансформатордың кірмелік орамасын айнымалы кернеу көзіне қосқанда өззекте пайда болатын айнымалы магаит өрісі шықпалық орамада өзара индукция ЭҚК-ін, ал кірмелік орамада өздік индукция ЭҚК-ік тудырады (1.3-сурет).

Енді осы ЭҚК-тердің қандай шамалармен байланысты екенін қарастыралық. Электрмагниттік индукция заңы бойынша орамалардың әрбір орамында пайда болатын ЭҚК

. (1.9)

1.3-сурет. Кірмелік орамасы кернеу көзіне қосылған

бір фазалы трансформатордың схемасы.

Егер өзектегі магнит ағыны синусоидалық заңдылықпен өзгереді десе

Ф=Ф , (1.10)

онда ЭҚҚ , (1.11) мұндағы ЭҚК-тің амплитудасы

. (1.12)

(1.11) теңдігі әрбір орамдзғы ЭҚК-тің дс синусоидалық заңдылықпен өзгеретінін және магнит ағынынан 90⁰-қа калып отыратынын көрсетеді.

Егер (1.12) теңдігінің екі жағын да -ге бөлсе, онда ЭҚК-тің әрекеттік мәнін магнит ағынының амплитудасымен байланыстыратын өрнек алынады:

(1.13)

Бұл орамалардың бір орамында ғана пайда болатын ЭҚҚ. Егер ЭҚК-тің осы мәнін орам сандарына көбейтсе (орамдар бірізді жалғанған), кірмелік және шықпалық орамалардың ЭҚК-тері

(1.14)

(1.15)

мұндағы: Е₁ ,E₂ – кірмелік және шықпалық орамалардың ЭҚК-тері; W_1,W₂ – кірмелік және шықпалық орамалардың орам сандары (1.14)және (1.15)тендіктерінен орамаларда пайда болатын ЭҚК орам санына, магаит ағынының амплитудасына және магниг ерісінің өзгеру жиілігіне байланысты деп түжырым жасауға болады. Былайша айтқанда, орамдағы ЭҚК орама санының ұзын-қысқалығына, магнт ерісінің күшті не әлсіз екендігіне және ол өрістің күшсызықтары орамаларды қандай жылдамдықпен қиып өтіп жатқандығына байланысты.

Электрлік алмастыру схемасы.

Трансформатордағы физикалық үрдістерді және онын шамаларының арасындагы фазалық қатынастарды түсіну үшін трансформатордың алмастыру схемасының маңызы зор.

Трансформатордың алмастыру схемасы оның магнитті яғни электрлік күйлерінің теңдеулеріне сүйене отырып түрғызылады.

Алмастыру схемасын алу үшін кірмелік және шықпалық орамаларды электрлі байланыстыру керек болады. Олүшін шықпалық ораманың ЭҚК-іне транформация коэффициентіне көбейтіп, оны кірмелік ораманың ЭҚК-не теңестіру керек:

1.4-сурет. Трансформатордың балама (а) және Т-тәрізді алмастыру (б) схемалары.

Осыған сәйкес

(1.16)

мұндағы E^’ ₂, U^’₂ -шықпалық орманың кірмелік орамаға келтірілген ЭҚК-і мен кернеуі.

Бірақ шықпалық ораманың параметрлік кірмелік ораманың параметрлеріне келтіру трансформатордың электрлік, магниттік және энергетикалық күйлерін, ендеше орамалардың қуатын да өзгертпеуге тиіс. Келтірілген және келтірілмеген ораманың қуаттарының теңдігінен

(1.17)

шықпалық орамның ЭҚК-і өзгеғрген кездегі келтірілген тогы

(1.18)

яғни келтірілген ток ораманың нақты тогынан k есе аз болады. Активті және реактивті қуаттардың теңдігінен, яғни

, (1.19)

шықпалық ораманың келтірілген кедергілері

, (1.20)

Бос жүріс режимі

Трансформатордың кірмелік орамасы кернеу көзіне қосылғанда,шықпалық орамасы, электр қабылдағышқа қосылмай (1.3-сурет) ағытулы тұрған болса (шықпалық орамның тоғы ), онда трансформатордың мұндай жұмыс бөлігін әлпін бос жүріс деп атайды. Трансформатор орамаларының тоғы,әсіресе бос жүріс кезінде ферромагнит өзектің әсерінен таза синусоидалы болмайды. Бірақ трансформатордың жүгі артқан сайын оның бейсинусоидалдығы азаяды. Сондықтан көбіне жүктемелі трансформатордың тогы синусоидал деп есептелінеді де, ал бос жүрісті трансформатордың тоғы оған эквивалентті синусоидал токпен алмастырылады.

Трансформатордың электрлік күйін білу үшін кірмелік және шықпалық орамалардың тізбектері үшін Кирхгофтың екінші заңы бойынша теңдіктер жазу керек. ЭҚК-тің бағыттары токтың бағытымен сәйкес келеді деп алса, кірмелік орамның өнбойында

(1.21)

Шықпалық ораманың өнбойында

, (1.22)

мұндағы; U₁-кірмелік ораманың кернеуі (кірмелік кернеу); R₁-кірмелік ораманың активті кедергісі; I_б-кірмелік ораманың бос жүріс тоғы; Е_1ш-осы орамадағы шашыранды ЭҚК; U_2б-шықпалық ораманың бос жүріс кернеуі(шыкпалық кернеу).

Бос жүріс тогы трансформатордың номинал тогына қарағанда аз болғандықтан (номинал токтың 3%-не дейін барады) кедергідегі кернеудің түсуін және шашыранды ЭҚК-тің (негізгі ЭҚК-тің 3…5%-і шамасында) ескермесе

, (1.23)

Бұл теңдік энергияны шығындамайтын идеал трансформатор үшін ғана орынды.

Жалпы алғанда, (1.22) және (1.23) теңдіктері бос жүрісті трансформаторда кірмелік ораманың ЭҚК-інің орнына оның кернеуін алуға болатынын, ал шықпалық ораманың ЭҚК-інің оның кернеуіне тең екенін көрсетеді.

Егер (1.23) және (1.22) теңдіктерінің қатынасын алса және ЭҚК-тердің орнына (1.19) және (1.20) теңдіктерінен олардың мәндерін қойса

(1.24)

яғни бос жүріс кезінде орамалардың кернеулерінің және ЭҚК-терінің қатынасы олардың орам сандарының қатынасына тең. Орам сандары тұрақты шама болғандықтан олардың қатынасы k да тұрақты шама болады. Бұл шаманы трансформация коэффициенті орамалардың орам сандарына байланысты шықпалық кернеудің кірмелік кернеуге қарағанда қанша есе азайып не көбейетінін көрсетеді.

Трансформатордың бос жүріс кезіндегі параметрлерін анықтау үшін әдейі тәжірибе өткізеді. Бұл тәжірибені бос жүріс тәжірибесі деп атайды.

1.5-сурет. Бос жүріс тәжірибесін қою схемасы.

Бос жүріс тәжірибесінде кірмелік орамаға оның номинал кернеуі беріледі де, ал шықпалық ормаға ағытулы болады (1.5-сурет). Сондықтан бос жүріс әлпінде кірмелік ораманың кернеуі U=U_III , тогы I_I=I₆ , ал шықпалық орамның кернеуі U₂=U_2б=E₂ , тогы I₂=0 .

Кірмелік ораманың тізбегіндегі ваттметр трансформатордың электр көзінен алатын қуатын көрсетеді: P=P₆ – мұны бос жүріс қуаты немесе бос жүрістік қуат деп атайды. Бұл энергия негізінен өзекті қыздыруға шығындалады, өйткені бос жүріс тогы аз боғандықтан орамалардың қызуы да аз. Сондықтан оны ескермеуге болады.

Шықпалық ораманың қысқыштарына вольтметр қосылған. Волтметрдің ішкі кедергісі өте үлкен болғандықтан онымен жүретін ток аз. Сондықтан вольтметрдің қосылғаны шықпалық ораманың бос тұрғанымен бірдей.

дәріс конспектісі

Дәріс тақырыбы: Қысқа тұйықталу режимі. Қысқа тұйықталу үшбұрышы. Жүктеме режимі. Трансформатордың толық және жеңілдетілген векторлық диаграммалары. Шықпалық кернеудің өзгеруі. Шығындар мен ПӘК.

Қысқа тұйықталу режимі

Трансформатордың қысқаша тұйықталу режимiн алу үшiн оның екiншi реттi орамдарын қысқаша тұйықтау керек (2.1- сурет), яғни .

Бұл жағдайда теңдеулер жүйесі мына түрде болады:

(2.1)

Қысқаша тұйықталған режим кезiнде орамдардағы токтардың шамасы номиналь шамадан бiрнеше есе асып кететiн болғандықтан, бiрiншi реттi кернеудiң номиналь шамасы кезiндегi қысқаша тұйықтау өте қауiптi, сондықтан қысқаша тұйықтауды төмендетiлген кернеу беру арқылы жүргiзу керек.

Қысқаша тұйықтау әдісі арқылы трансформатордың келесі параметрлерiн анықтауға болады:

1) ауыстыру схемасының параметрлерiн: ; ; бұл формулалардағы және кедергiлерiн шартты жұмыс температурасына мына өрнектер арқылы келтiру керек ; , мұндағы - қоршаған орта температурасы болған кездегi кедергi, - мысқа қатысты температуралық коэффициент;

2) қуаттық коэффициент ;

3) қуат шығынын ;

4) қысқаша тұйықталу кернеуiнiң номиналь шамасын және оның активтi және реактивтi құраушыларының проценттiк мәнiн анықтауға мүмкiндiк бередi. Бұл шамалар мына теңдiктермен есептеледi:

;

; (2.2)

.

Шықпалық кернеудің өзгеруі

Шықпалық ораманың электрлік күйінің теңдеуін ЭҚК тұрақты болғандықтан (себебі өзектегі магнит ағыны тұрақты), жүк артқан сайын орамадағы кернеудің түсуі артады да ораманың қысқаштарындағы кернеу азаяды. Егер шықпалық кернеудің өзгерісі, оның салыстырмалы өзгерісі

(2.1)

мұндағы Z₂I₂ – шықпалық орамадағы кернеудің түсуі. Жалпы алғанда трансформатордың жүктемесі тұрақты болмайды – ол үнемі өзгеріп отырады. Сондықтан трансформатордың жүктемесінің мөлшерін жүктелу коэффиценті арқылы көрсету қабылданған:

(2.3)

Мұндағы S, I₁, I₁ - трансформатордың осы жүктемедегі қуаты және орамалардың токтары ;S, I₁, I_{1 -} номинал жүктемелі трансформатордың қуаты және ораманың токтары. Осы теңдіктен шықпалық ораманың тогын (6,30) теңдігіне қойса, шықпалық кернеудің өзгерісі.

(2.4)

Егер номинал жүк кезіндегі шықпалық орамадағы кернеудің түсуін қысқа тұйықтау тәжірибесінен анықтаса

(2.5)

Ал бос жүріс тәжірибесінен:

(2.6)

Кернеудің түсуінің және бос жүріс кернеудің мәндерін теңдігіне қойса:

(2.7)

2.2-сурет. Трансформатордың шықпалық сипаттамасы.

Шықпалық кенрнеудің өзгерісінің жүктің мөлшеріне байланысты екені анықталады (өйткені U_қ және U_1Н кернеудің тұрақты шамалары). Шықпалық кернеудің жүктен тәуелдігін көрсететін графикті трансформатордың шықпалық сипаттамасы деп атайды. Шықпалық сипаттама әдетте мына теңдеу бойынша тұрғызылады:

(2.8)

Трансформатордың шықпалық сипаттамасы түзу сызық болады және (2.4) теңдігінен көрініп тұрғандай, жүктеме артқан сайын оның шықпалық кернеуі азая береді. Шықпалық кернеу электр қабылдағыштың номинал кернеуіне тең болуы үшін ораманың ЭҚК-ін көбейту керек, ал ол үшін шықпалық ораманың орам санын арттыру керек. Сондықтан трансформаторларда шықпалық кернеуді реттеп отыру үшін шықпалық ораманың орам санын өзгертіп отыратын ауыстырып қосқыш болады.

Трансформатордың параметрлерін келтіру

Жалпы алғанда , то , сәйкесінше орамдардағы ЭҚК мен токтардың әртүрлі болу кезінде олардың активті және индуктивті кедергілері де әртүрлі. Бұл трансформатордағы процесстерді есептеуге қиындықтар туғызады, ол әсіресе трансформациялау коэффициенті жоғары болғанда айқын байқалаады. Сондықтан трансформатордың екі орамдарын бір тармақтар санына келтіреді, көбінесе екінші ретті орамдарды бірінші ретті орамдарға келтірі қабылданған. Ол үшін тармақтар саны екінші ретті орамды тармағы бар бірінші ретті орамға келтіреді және ол бірінші ретті тізбектің жұмыс режиміне әсер етпеуі керек.

Келтірілген екінші ретті орамның барлық параметрлерін келтірілген деп атайды.

Келтірілген екінші ретті ЭҚК:

,

мұндағы K – келтіру коэффициенті, ол трансформациялау коэффициентіне тең.

Осы қатынаспен екінші ретті орамның басқа да ЭҚК мен кернеуі өзгереді.

Екінші ретті орамды бірінші реттіге келтіргенде толық қуат теңдігін, яғни немесе , сәйкесінше, келтірілген екінші ретті ток:

.

Келтірілген және нақты орамдардағы қуат шығындары да өзгеріссіз қалуы керек, сондықтан, , ендеше келтірілген активті кедергі:

.

Екінші ретті орамның индуктивтілігін бірінші реттіге келтіру кезінде реактивті қуаттарда тең болуы керек,яғни немесе , ендеше келтірілген екінші ретті индуктивті кедергі:

Теңдеулер жүйесі келтірілген трансформатор үшін мына түрге келеді:

(2.9)

(2.9) теңдеулер жүйесінің соңғы теңдігін бөлсек, онда ток теңдеулері мына түрде жазылады:

(2.10)

Трансформатордың векторлық диаграммасы

(2.9) және (2.10) комплексті теңдеулерін пайдаланып активті – индуктивті сипаттағы жүктеме үшін трансформатордың векторлық диаграммасын саламыз (2.3 – сурет).

2.3-сурет. Трансформатордың векторлық диаграммалары

Негізгі магнит ағыны векторын оң бағытта абсцисса осі бойына саламыз. Оған бұрышымен бос жүріс тогы векторын саламыз, оны фаза бойынша сәйкес келетін реактивті және оны 90⁰ озып жүретін активті құраушыларға жіктейміз. ЭҚК векторлары векторанан 90° қалып қояды. векторына бұрышпен тогының векторын саламыз. Екінші ретті кернеу векторы ток векторынан бұрышқа озып жүреді. және вектроларының қосындысы (2.9) теңдеулер жүйесінің екінші теңдігіне сәйкес болуы керек .

(2.9) теңдеулерден тогын анықтаймыз. (2.9) теңдіктің бірінші теңдеуіне сәйкес, және векторларын қосып кернеуінің векторын және мен векторлары арасындағы фазалық ығысуды анықтаймыз.

Осындай жолмен жүктеме активті-сыйымдылықты болғандағы трансформатордың векторлық диаграммасы 2.3, б - суретте көрсетілген.

Трансформатордағы қуаттар шығыны мен оның пайдалы әсер коэффициенті

ПӘК жүктемедегі активті қуат пен ток көзінен тұтынылатын активті қуаттардың қатынасы ретінде анықталады:

Көбінесе мына формула қолданылады:

мұндағы - трансформатордағы қуаттар шығынының толық шамасы.

Болат өзекшедегі қуаттар шығынын трансформатордың қуатына байланысты бос жүріс режимі кезіндегі қуаттар шығынына тең деп есептейді. жүктемеге тәуелді емес сондықтан оны тұрақты деп есептейді.

Трансформатор орамдарындағы қуат шығыны токтың квадрат дәрежесіне тура пропорционал: . Әншейінде .

Ендеше: