В 1876 г. П.И. Яблочков предложил пользоваться трансформатором для питания свечей. В дальнейшем конструкции трансформаторов разрабатывал другой русский изобретатель, механик И.Ф. Усагин, который предложил применять трансформаторы для питания не только свечей Яблочкова, но и других потребителей электрической энергии.
Трансформатор представляет собой электрический аппарат, основанный на явлении взаимоиндукции и предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же самой частоты. Простейший трансформатор имеет стальной сердечник и две обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга.
Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой, а та обмотка, к которой подключаются потребители или линии передач, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой.
Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них ЭДС.
Так как магнитный поток переменный, то индуктированная ЭДС во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке.
Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первичную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке также будут индуктироваться ЭДС.
Величины ЭДС, индуктирующихся в обмотках трансформатора, зависят от частоты переменного тока, числа витков каждой обмотки и величины магнитного потока в сердечнике. При определенной частоте и неизменном магнитном потоке величина ЭДС каждой обмотки зависит только от числа витков этой обмотки. Эту зависимость между величинами ЭДС и числами витков обмоток трансформатора можно выразить формулой: ?1 / ?2 = N1 / N2, где ?1 и ?2 – ЭДС первичной и вторичной обмоток, N1 и N2 – числа витков первичной и вторичной обмоток.
Разница между ЭДС и напряжением так мала, что зависимость между напряжениями и числами витков обеих обмоток можно выразить формулой: U1 / U2 = = N1 /N2. Разница между ЭДС и напряжением в первичной обмотке трансформатора становится особенно малой тогда, когда вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю (холостая работа), а в первичной обмотке протекает только небольшой ток, называемый током холостого хода. При этом напряжение на зажимах вторичной обмотки равно наводимой в ней ЭДС.
Число, показывающее, во сколько раз напряжение в первичной обмотке больше (или меньше) напряжения во вторичной обмотке, называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой k. k = U1 / U2 ? N1 / N2.
Номинальное напряжение обмоток высшего и низшего напряжений, указанное на заводском щитке трансформатора, относится к режиму холостого хода.
Трансформаторы, которые служат для повышения напряжения, называют повышающими; коэффициент трансформации у них меньше единицы. Понижающие трансформаторы понижают напряжение; коэффициент трансформации у них больше единицы.
Режим, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение, называется холостым ходом или холостой работой трансформатора.
69. УСТРОЙСТВО И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Сердечник (магнитопровод) трансформатора образует замкнутый для магнитного потока контур и изготовляется из листовой электротехнической (трансформаторной) стали толщиной 0,5 и 0,35 мм. Электротехническая сталь представляет собой сталь, в состав которой входит 4–4,8 % кремния по весу. Присутствие кремния улучшает магнитные свойства стали и увеличивает ее удельное сопротивление вихревым токам. Отдельные листы стали для изоляции их один от другого покрывают слоем лака, после чего стягивают болтами, пропущенными в изолирующих втулках. Такое устройство применяют для уменьшения вихревых токов, индуктируемых в стали переменным магнитным потоком. Части магнитопровода, на которые надевается обмотка, называются стержнями. Стержни соединяются верхним и нижним ярмом.
По конструкции магнитопровода различают два типа трансформаторов: стержневые и броневые. У трансформатора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода; у трансформаторов броневого типа магнитопровод, наоборот, как «броней», охватывает обмотки. В случае неисправности в обмотке броневого трансформатора ее неудобно осматривать и трудно ремонтировать. Поэтому наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа.
Обмотка трансформатора выполнятся из изолированной круглой или прямоугольной меди. На стержень магнитопровода предварительно надевают изолирующий (обычно картонный, пропитанный бакелитовым лаком) цилиндр, на котором помещают обмотку низшего напряжения. Расположение обмотки низшего напряжения ближе к стержню объясняется тем, что ее проще изолировать от стального стержня, чем обмотку высшего напряжения.
На наложенную обмотку низшего напряжения надевают другой изолирующий цилиндр, на который поме' щают обмотку высшего напряжения.
Такие трансформаторы называют двухобмоточны-ми. Встречаются трансформаторы, у которых на фазу приходится одна первичная и две вторичные обмотки. Первичная обмотка является обмоткой высшего напряжения. Вторичные обмотки в зависимости от величины напряжения на их зажимах называются: одна – обмоткой среднего напряжения и другая – обмоткой низшего напряжения. Такие трансформаторы называют трехобмоточными.
Для трансформации трехфазного тока можно пользоваться однофазными трансформаторами. Если объединить сталь трех сердечников в один общий сердечник, мы получим сердечник трехфазного трансформатора. Затраты трансформаторной стали на трехфазный трансформатор значительно меньше, чем на устройство трех однофазных трансформаторов.
Если мощность, нужная для трансформации, больше мощности одного трансформатора, то в этом случае несколько трансформаторов включается на параллельную работу.
Для включения на параллельную работу однофазных трансформаторов необходимо выполнить следующие условия.
1. Напряжения первичных и вторичных обмоток параллельно включаемых трансформаторов должны быть равны. В этом случае коэффициенты трансформации трансформаторов окажутся также равными.
2. Равенство напряжений короткого замыкания.
3. Включение одинаковыми фазами со стороны высшего и низшего напряжений.
Автотрансформатор представляет собой такой трансформатор, на сердечнике которого имеется только одна обмотка. К различным точкам этой обмотки присоединены одновременно и первичная, и вторичная цепи. Магнитный поток автотрансформатора индуктирует электрическую силу в обмотке. Эта электродвижущая сила почти равна подводимому напряжению.
70. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора меньше скорости вращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки. Асинхронная машина, как и другие электрические машины, обладает свойством обратимости, т. е. она может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.
Трехфазный асинхронный двигатель был изобретен русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в 1890 г. и с тех пор, подвергаясь усовершенствованиям, прочно занял свое место в промышленности и получил массовое распространение во всех странах мира.
Асинхронный двигатель имеет две основные части – статор и ротор. Статором называется неподвижная часть машины. С внутренней стороны статора сделаны пазы, куда укладывается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным переменным током. Вращающаяся часть машины называется ротором, в пазах его также уложена обмотка. Статор и ротор собираются из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Отдельные листы стали изолируются один от другого слоем лака. Воздушный зазор между статором и ротором делается возможно малым.
В зависимости от конструкции ротора асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и с фазным роторами.
Асинхронные двигатели делятся на бесколлекторные и коллекторные. Наибольшее распространение получили бесколлекторные двигатели. Они применяются там, где требуется приблизительно постоянная скорость вращения и не требуется ее регулировка. Бесколлекторные двигатели просты по устройству, безотказны в работе и имеют высокий КпД.
Если подключить обработку статора к сети трехфазного переменного тока, то внутри статора возникает вращающееся магнитное поле. Магнитные линии поля будут пересекать обмотку неподвижного тока ротора и индуктировать в ней ЭДС. Ротор при своем вращении не может догнать вращающееся магнитное поле статора. Если предположить, что ротор будет иметь такую же скорость вращения, как и магнитное поле статора, то токи в обмотке ротора исчезнут. С исчезновением токов в обмотке ротора прекратится взаимодействие их с полем статора и ротор станет вращаться медленнее вращающегося поля статора. Однако при этом обмотка ротора вновь начнет пересекаться вращающимся полем статора и на ротор снова будет воздействовать вращающий момент. Следовательно, ротор при своем вращении всегда должен отставать от скорости вращения магнитного поля статора, т. е. вращаться асинхронно (не в такт с магнитным полем), почему эти двигатели и получили название асинхронных.
