Какие трансформаторы позволяют плавно изменять напряжение выходных зажимах
Какие трансформаторы позволяют плавно изменять напряжение на выходных зажимах?
а) Силовые трансформаторы б) Измерительные трансформаторы
в) Автотрансформаторы г) Сварочные трансформаторы
Какой режим работы трансформатора позволяет определить коэффициент трансформации?
а) Режим нагрузки б) Режим холостого хода
в) Режим короткого замыкания г) Ни один из перечисленных
36. Первичная обмотка трансформатора содержит 600 витков, а коэффициент трансформации равен 20. Сколько витков во вторичной обмотке?
а) Силовые трансформаторы б) Измерительные трансформаторы
в) Автотрансформаторы г) Сварочные трансформаторы
Чем принципиально отличается автотрансформаторы от трансформатора?
а) Малым коэффициентом трансформации
б) Возможностью изменения коэффициента трансформации
в) Электрическим соединением первичной и вторичной цепей
Какие устройства нельзя подключать к измерительному трансформатору напряжения?
в) обмотку напряжения ваттметра г) омметр
Механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
в) Абсолютно жесткая г) Асинхронная
40.Электроприводы крановых механизмов должны работать при:
а) Переменной нагрузке б) Постоянной нагрузки
в) Безразлично какой г) Любой
Электроприводы насосов, вентиляторов, компрессоров нуждаются в электродвигателях с жесткой механической характеристикой. Для этого используются двигатели:
а) Асинхронные с контактными кольцами б) Короткозамкнутые асинхронные
в) Синхронные г) Все перечисленные
Сколько электродвигателей входит в электропривод?
в) Несколько г) Количество электродвигателей зависит от
типа электропривода
В каком режиме работают электроприводы кранов, лифтов, лебедок?
А) В длительном режиме б) В кратковременном режиме
в) В повторно- кратковременном режиме г) В повторно- длительном режиме
Какое устройство не входит в состав электропривода?
а) Контролирующее устройство б) Электродвигатель
в) Управляющее устройство г) Рабочий механизм
45.Электроприводы разводных мостов, шлюзов предназначены для работы:
а) В длительном режиме б) В повторно- кратковременном режиме
в) В кратковременном режиме г) В динамическом режиме
Какие функции выполняет управляющее устройство электропривода?
а) Изменяет мощность на валу рабочего механизма
б) Изменяет значение и частоту напряжения
в) Изменяет схему включения электродвигателя, передаточное число, направление вращения г) Все функции перечисленные выше
При каком режиме работы электропривода двигатель должен рассчитываться на максимальную мощность?
а) В повторно- кратковременном режиме б) В длительном режиме
в) В кратковременном режиме г) В повторно- длительном режиме
Какие задачи решаются с помощью электрической сети?
а) Производство электроэнергии б) Потребление электроэнергии
в) Распределение электроэнергии г) Передача электроэнергии
49. Что такое электрический ток?
A. графическое изображение элементов.
B. это устройство для измерения ЭДС.
C. упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике.
D. беспорядочное движение частиц вещества.
E. совокупность устройств, предназначенных для использования электрического сопротивления.
50. Устройство, состоящее из двух проводников любой формы, разделенных диэлектриком
ТЕСТОВОЕ ЗАДАНИЕ
Для проверки теоретических знаний
по дисциплине ОП.03 Электротехники и электроника
23.02.07 Техническое обслуживание и ремонт
двигателей, систем и агрегатов автомобилей
ФИО обучающегося: _____________________
Дата проведения: . . 2020г. Группа ТОР 19-1Т
1.Заданы ток и напряжение: i = 
max * sin ( 
t ) u = umax * sin ( t + 30 0 ). Определите угол сдвига фаз.
2. Схема состоит из одного резистивного элемента с сопротивлением R =220 Ом. Напряжение на её зажимах u = 220 * sin 628 t . Определите показания амперметра и вольтметра.
а) />= 1 А u=220 В б) />= 0,7 А u=156 В
в) />= 0,7 А u=220 В г) />= 1 А u=156 В
3. Амплитуда синусоидального напряжения 100 В, начальная фаза 
= — 60 0 , частота 50 Гц. Запишите уравнение мгновенного значения этого напряжения.
а) u=100 * cos(-60t) б) u=100 * sin (50t — 60)
в) u=100*sin (314t-60) г) u=100*cos (314t + 60)
4. Полная потребляемая мощность нагрузки S = 140 кВт, а реактивная мощность Q = 95 кВАр. Определите коэффициент нагрузки.
а) cos />= 0,6 б) cos />= 0,3
в) cos />= 0,1 г) cos />= 0,9
Трансформаторы с плавным регулированием напряжения
Для плавного регулирования напряжения возможно применение скользящих по поверхности витков обмотки контактов, аналогично тому, как это сделано в регулировочном автотрансформаторе (см. рис. 3.5). При этом плавность регулировки ограничивается значением напряжения между двумя смежными витками (0,5—1,0 В). По такому принципу выполняют однофазные и трехфазные трансформаторы и автотрансформаторы мощностью до 250 кВ-А. Однако наличие скользящих контактов снижает надежность и ограничивает применение этих трансформаторов.
Более надежны бесконтактные конструкции регулировочных трансформаторов. Рассмотрим некоторые из них.
Трансформатор с подвижным сердечником.Первичная обмотка этого трансформатора. выполнена из двух катушек, уложенных в кольцевых выемках магнитопровода (рис. 5.1, а). Катушки w’1 и w’2включены так, что создают магнитные потоки, направленные встречно друг другу. Внутри неподвижной части магнитопровода расположен подвижный сердечник ПС со вторичной обмоткой w2. При среднем положении ПС в обмотке w2 не наводится ЭДС, так как действие первичных катушек взаимно компенсируется.
Рис. 5.1. Трансформатор с подвижным сердечником
При смещении ПС влево или вправо от среднего положения вторичной обмотки в последней наводится ЭДС
. При этом фаза (направление)
зависит от того в зоне какой из первичных катушек находится вторичная обмотка: при перемещении этой обмотки из зоны одной первичной катушки в зону другой катушки фаза ЭДС
изменится на 180°. Если такой трансформатор включить в сеть аналогично вольтдобавочному трансформатору (см. § 1.15), как это показано на рис. 5.1,6, то, изменяя положение сердечника вторичной обмотки (ПС), можно плавно регулировать вторичное напряжение (продольное регулирование)
Трансформатор, регулируемый подмагничиваннем шунтов.В последнее время получили применение трансформаторы и автотрансформаторы, регулируемые подмагничиванием шунтов и обозначаемые соответственно ТРПШ и АРПШ.
Рассмотрим принцип действия однофазного трансформатора ТРПШ. Магнитопровод трансформатора состоит из четырех стержней (рис. 5.2, а): двух крайних, называемых главными стержнями, и двух средних, называемых шунтами. Первичная обмотка состоит из трех катушек: две катушки (w’1г и w’’1г) расположены на главных (крайних) стержнях и одна катушка (w2ш) — на шунтах. При этом все три катушки соединены последовательно и согласно. Вторичная обмотка также состоит из трех последовательно соединенных катушек (w’2Г, w’’2T и w2ш ), расположенных аналогично первичным, но катушка w2ш включена встречно относительно катушек w’2r и w’’2r.
Кроме катушек переменного тока ТРПШ имеет две катушки постоянного тока — катушки подмагничивания wп, расположенные на шунтах и соединенные последовательно.
При включении первичной обмотки в сеть переменного тока катушки w’1г и w1r создают переменный магнитный поток Фг, который замыкается по главным стержням и ярмам, сцепляется с катушками w’2r и w’’2r и наводит в них ЭДС
. Катушка w1ш также создает переменный магнитный поток Фш, разделенный на две части, каждая из которых замыкается по одному из шунтов и одному из главных стержней. При этом в одном из стержней (правом) потоки
складываются, а в другом (левом) — вычитаются. Магнитный поток
, сцепляясь с катушкой w2ш, наводит в ней ЭДС E2ш, но так как w2ш включена встречно вторичным катушкам главных стержней, то напряжение на выходе трансформатора
Рис. 5.2. Трансформатор, регулируемый подмагничиванием
При прохождении постоянного тока по катушкам подмагничивания wпвозрастает магнитное насыщение шунтов, при этом их магнитное сопротивление увеличивается и магнитный поток Фш шунтов уменьшается. В итоге уменьшается ЭДС
, что ведет к росту вторичного напряжения (5.1). Следовательно, плавному изменению постоянного тока в цепи подмагничивания соответствует плавное изменение напряжения на выходе ТРПШ (рис. 5.2, б).
Электрическое управление вторичным напряжением трансформатора упрощает дистанционное управление трансформатором или же его автоматизацию. Наряду с однофазными существуют трехфазные ТРПШ и АРПШ.
Методы регулирования напряжения. Часть 1. Основы
Какие трансформаторы позволяют плавно изменять напряжение на выходных зажимах?
а) Силовые трансформаторы б) Измерительные трансформаторы
в) Автотрансформаторы г) Сварочные трансформаторы
Какой режим работы трансформатора позволяет определить коэффициент трансформации?
а) Режим нагрузки б) Режим холостого хода
в) Режим короткого замыкания г) Ни один из перечисленных
36. Первичная обмотка трансформатора содержит 600 витков, а коэффициент трансформации равен 20. Сколько витков во вторичной обмотке?
а) Силовые трансформаторы б) Измерительные трансформаторы
в) Автотрансформаторы г) Сварочные трансформаторы
Чем принципиально отличается автотрансформаторы от трансформатора?
а) Малым коэффициентом трансформации
б) Возможностью изменения коэффициента трансформации
в) Электрическим соединением первичной и вторичной цепей
Какие устройства нельзя подключать к измерительному трансформатору напряжения?
в) обмотку напряжения ваттметра г) омметр
Механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
в) Абсолютно жесткая г) Асинхронная
40.Электроприводы крановых механизмов должны работать при:
а) Переменной нагрузке б) Постоянной нагрузки
в) Безразлично какой г) Любой
Электроприводы насосов, вентиляторов, компрессоров нуждаются в электродвигателях с жесткой механической характеристикой. Для этого используются двигатели:
а) Асинхронные с контактными кольцами б) Короткозамкнутые асинхронные
в) Синхронные г) Все перечисленные
Сколько электродвигателей входит в электропривод?
в) Несколько г) Количество электродвигателей зависит от
типа электропривода
В каком режиме работают электроприводы кранов, лифтов, лебедок?
А) В длительном режиме б) В кратковременном режиме
в) В повторно- кратковременном режиме г) В повторно- длительном режиме
Какое устройство не входит в состав электропривода?
а) Контролирующее устройство б) Электродвигатель
в) Управляющее устройство г) Рабочий механизм
45.Электроприводы разводных мостов, шлюзов предназначены для работы:
а) В длительном режиме б) В повторно- кратковременном режиме
в) В кратковременном режиме г) В динамическом режиме
Какие функции выполняет управляющее устройство электропривода?
а) Изменяет мощность на валу рабочего механизма
б) Изменяет значение и частоту напряжения
в) Изменяет схему включения электродвигателя, передаточное число, направление вращения г) Все функции перечисленные выше
При каком режиме работы электропривода двигатель должен рассчитываться на максимальную мощность?
а) В повторно- кратковременном режиме б) В длительном режиме
в) В кратковременном режиме г) В повторно- длительном режиме
Какие задачи решаются с помощью электрической сети?
а) Производство электроэнергии б) Потребление электроэнергии
в) Распределение электроэнергии г) Передача электроэнергии
49. Что такое электрический ток?
A. графическое изображение элементов.
B. это устройство для измерения ЭДС.
C. упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике.
D. беспорядочное движение частиц вещества.
E. совокупность устройств, предназначенных для использования электрического сопротивления.
50. Устройство, состоящее из двух проводников любой формы, разделенных диэлектриком
ТЕСТОВОЕ ЗАДАНИЕ
Для проверки теоретических знаний
по дисциплине ОП.03 Электротехники и электроника
23.02.07 Техническое обслуживание и ремонт
двигателей, систем и агрегатов автомобилей
ФИО обучающегося: _____________________
Дата проведения: . . 2020г. Группа ТОР 19-1Т
1.Заданы ток и напряжение: i = max * sin ( t ) u = umax * sin ( t + 30 0 ). Определите угол сдвига фаз.
2. Схема состоит из одного резистивного элемента с сопротивлением R =220 Ом. Напряжение на её зажимах u = 220 * sin 628 t . Определите показания амперметра и вольтметра.
а) />= 1 А u=220 В б) />= 0,7 А u=156 В
в) />= 0,7 А u=220 В г) />= 1 А u=156 В
3. Амплитуда синусоидального напряжения 100 В, начальная фаза = — 60 0 , частота 50 Гц. Запишите уравнение мгновенного значения этого напряжения.
а) u=100 * cos(-60t) б) u=100 * sin (50t — 60)
в) u=100*sin (314t-60) г) u=100*cos (314t + 60)
4. Полная потребляемая мощность нагрузки S = 140 кВт, а реактивная мощность Q = 95 кВАр. Определите коэффициент нагрузки.
Кацман М.М. Электрические машины — файл n1.doc
Электрификация — это широкое внедрение в промышленность, сельское хозяйство, транспорт и быт электрической энергии, вырабатываемой на мощных электростанциях, объединенных высоковольтными электрическими сетями в энергетические системы.
Электрификация осуществляется посредством электротехнических изделий, производством которых занимается электротехническая промышленность. Основной отраслью этой промышленности является электромашиностроение, занимающееся разработкой и производством электрических машин и трансформаторов.
Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами — генераторами, преобразующими механическую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80 %) вырабатывается на тепловых электростанциях, где при сжигании химического топлива (уголь, торф, газ) нагревается вода и переводится в пар высокого давления. Последний подается в турбину, где, расширяясь, приводит ротор турбины во вращение (тепловая энергия в турбине преобразуется в механическую). Вращение ротора турбины передается на вал генератора (турбогенератора). В результате электромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.
Процесс производства электроэнергии на атомных электростанциях аналогичен тепловым, с той лишь разницей, что вместо химического топлива используется ядерное.
Процесс выработки электроэнергии на гидравлических электростанциях состоит в следующем: вода, поднятая плотиной на определенный уровень, сбрасывается на рабочее колесо гидротурбины; получаемая при этом механическая энергия путем вращения колеса турбины передается на вал электрического генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую.
В процессе потребления электрической энергии происходит ее преобразование в другие виды энергий (тепловую, механическую, химическую). Около 70 % электроэнергии используется для приведения в движение станков, механизмов, транспортных средств, т. е. для преобразования ее в механическую энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами — электродвигателями.
Электродвигатель — основной элемент электропривода рабочих машин. Хорошая управляемость электрической энергии, простота ее распределения позволили широко применить в промышленности многодвигательный электропривод рабочих машин, когда отдельные звенья рабочей машины приводятся в движение самостоятельными двигателями. Многодвигательный привод значительно упрощает механизм рабочей машины (уменьшается число механических передач, связывающих отдельные звенья машины) и создает большие возможности в автоматизации различных технологических процессов. Электродвигатели широко применяют на транспорте в качестве тяговых двигателей, приводящих во вращение колесные пары электровозов, электропоездов, троллейбусов и др.
За последнее время значительно возросло применение электрических машин малой мощности — микромашин мощностью от долей до нескольких сотен ватт. Такие электрические машины используют в устройствах автоматики и вычислительной техники.
Особый класс электрических машин составляют двигатели для бытовых электрических устройств — пылесосов, холодильников, вентиляторов и др. Мощность этих двигателей невелика (от единиц до сотен ватт), конструкция проста и надежна, и изготовляют их в больших количествах.
Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, необходимо передать в места ее потребления, прежде всего в крупные промышленные центры страны, которые удалены от мощных электростанций на многие сотни, а иногда и тысячи километров. Но электроэнергию недостаточно передать. Ее необходимо распределить среди множества разнообразных потребителей — промышленных предприятий, транспорта, жилых зданий и т. д. Передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют при высоком напряжении (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные электрические потери в линиях электропередачи. Поэтому в процессе передачи и распределения электрической энергии приходится неоднократно повышать и понижать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитных устройств, называемых трансформаторами. Трансформатор не является электрической машиной, так как его работа не связана с преобразованием электрической энергии в механическую и наоборот; он преобразует лишь напряжение электрической энергии. Кроме того, трансформатор — это статическое устройство, и в нем нет никаких движущихся частей. Однако электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при работе электрических машин. Более того, электрическим машинам и трансформаторам свойственна единая природа электромагнитных и энергетических процессов, возникающих при взаимодействии магнитного поля и проводника с током. По этим причинам трансформаторы составляют неотъемлемую часть курса электрических машин.
Отрасль науки и техники, занимающаяся развитием и производством электрических машин и трансформаторов, называется электромашиностроением. Теоретические основы электромашиностроения были заложены в 1821 г. М. Фарадеем, установившим возможность преобразования электрической энергии в механическую и создавшим первую модель электродвигателя. Важную роль в развитии электромашиностроения имели работы ученых Д. Максвелла и Э. X. Ленца. Дальнейшее развитие идея взаимного преобразования электрической и механической энергий получила в работах выдающихся русских ученых Б. С. Якоби и М. О. Доливо-Добровольского, которыми были разработаны и созданы конструкции электродвигателей, пригодные для практического использования. Большие заслуги в создании трансформаторов и их практическом применении принадлежат замечательному русскому изобретателю П.Н. Яблочкову. В начале XX столетия были созданы все основные виды электрических машин и трансформаторов и разработаны основы их теории.
В настоящее время отечественное электромашиностроение достигло значительных успехов. Если в начале текущего столетия в России фактически не было электромашиностроения, как самостоятельной отрасли промышленности, то за последние 50—70 лет была создана отрасль электротехнической промышленности — электромашиностроение, способная удовлетворять потребности нашего развивающегося народного хозяйства в электрических машинах и трансформаторах. Были подготовлены кадры квалифицированных электромашиностроителей — ученых, инженеров, техников.
Дальнейший технический прогресс определяет в качестве основной задачи закрепление успехов электромашиностроения путем практического внедрения последних достижений электротехники в реальные разработки устройств электропривода для промышленных устройств и изделий бытовой техники. Осуществление этого требует перевода производства на преимущественно интенсивный путь развития. Главная задача состоит в повышении темпов и эффективности развития экономики на базе ускорения научно-технического прогресса, технического перевооружения и реконструкции производства, интенсивного использования созданного производственного потенциала. Значительная роль в решении этой задачи отводится электрификации народного хозяйства.
При этом необходимо учитывать возрастающие экологические требования к источникам электроэнергии и наряду с традиционными способами развивать экологически чистые (альтернативные) способы производства электроэнергии с использованием энергии солнца, ветра, морских приливов, термальных источников. Широко внедряются автоматизированные системы в различные сферы народного хозяйства. Основным элементом этих систем является автоматизированный электропривод, поэтому требуется опережающими темпами наращивать выпуск автоматизированных электроприводов.
В условиях научно-технического развития большое значение приобретают работы, связанные с повышением качества выпускаемых электрических машин и трансформаторов. Решение этой задачи является важным средством развития международного экономического сотрудничества. Соответствующие научные учреждения и промышленные предприятия России ведут работы по созданию новых видов электрических машин и трансформаторов, удовлетворяющих современным требованиям к качеству и технико-экономическим показателям выпускаемой продукции.
§ В.2. Электрические машины — электромеханические преобразователи энергии
Изучение электрических машин основано на знаниях физической сущности электрических и магнитных явлений, излагаемых в курсе теоретических основ электротехники. Однако прежде чем приступить к изучению курса «Электрические машины», напомним физический смысл некоторых законов и явлений, лежащих в основе принципа действия электрических машин, в первую очередь закона электромагнитной индукции.
Рис. В.1. К понятиям об «элементарном генераторе» (а) и «элементарном двигателе» (б)
В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. Природа этого процесса объясняется законом электромагнитной индукции: если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рис. В.1, а), например, слева направо перпендикулярно вектору индукции В магнитного поля со скоростью , то в проводнике будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС)
где В — магнитная индукция, Тл; l — активная длина проводника, т. е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м; — скорость движения проводника, м/с.
Рис. В.2. Правила «правой руки» и «левой руки»
Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рис. В.2, а). Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике (от нас). Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление R (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор.
В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возникает действующая на проводник электромагнитная сила
Направление силы FЭМ можно определить по правилу «левой руки» (рис. В.2, б). В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила FЭМ является тормозящей по отношению к движущей силе F.
При равномерном движении проводника F = FЭМ. Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим
Подставим в это выражение значение FЭМ из (В.2):
Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле; правая часть — значение электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобразуется в электрическую.
Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление, указанное на рис. В.1, б, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила FЭМ . Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направлением, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напряжения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике:
где r — электрическое сопротивление проводника.
Умножим обе части равенства на ток I:
UI = ЕI + I 2 r.
Подставляя вместо Е значение ЭДС из (В.1), получим
UI =BlI + I 2 r,
или, согласно (В.2),
UI = FЭМ + I 2 r. (В.5)
Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (FЭМ), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I 2 r). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитном поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.
Рассмотренные явления позволяют сделать вывод: а) для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения; б) при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему электрического тока; в) взаимное преобразование механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство электрических машин называют обратимостью. Принцип обратимости электрических машин был впервые установлен русским ученым Э. X. Ленцем.
Рассмотренные «элементарные» электрические генератор и двигатель отражают лишь принцип использования в них основных законов и явлений электрического тока. Что же касается конструктивного исполнения, то большинство электрических машин построено на принципе вращательного движения их подвижной части. Несмотря на большое разнообразие конструкций электрических машин, оказывается возможным представить себе некоторую обобщенную конструкцию электрической машины. Такая конструкция (рис. В.З) состоит из неподвижной части 1, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ротором. Ротор располагается в расточке статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабжена элементами, возбуждающими в машине магнитное поле (например, электромагнит или постоянный магнит), а другая — имеет обмотку, которую будем условно называть рабочей обмоткой машины. Как неподвижная часть машины (статор), так и подвижная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно-мягкого материала и обладающие небольшим магнитным сопротивлением.
Рис. В.З. Обобщенная конструктивная схема электрической машины
Если электрическая машина работает в режиме генератора, то при вращении ротора (под действием приводного двигателя) в проводниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении потребителя появляется электрический ток. При этом механическая энергия приводного двигателя преобразуется в электрическую. Если машина предназначена для работы в качестве электродвигателя, то рабочая обмотка машины подключается к сети. При этом ток, возникший в проводниках обмотки, взаимодействует с магнитным полем и на роторе возникают электромагнитные силы, приводящие ротор во вращение. При этом электрическая энергия, потребляемая двигателем из сети, преобразуется в механическую энергию, затрачиваемую на вращение какого-либо механизма, станка и т. п.
Возможны также конструкции электрических машин, у которых рабочая обмотка расположена на статоре, а элементы, возбуждающие магнитное поле, — на роторе. Принцип работы машины при этом остается прежним.
Диапазон мощностей электрических машин весьма широк — от долей ватт до сотен тысяч киловатт.
§ В.З. Классификация электрических машин
Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным применением, так как связано исключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергии. Применение электрических машин в различных отраслях техники может иметь и другие цели. Так, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием переменного тока в постоянный или же с преобразованием тока промышленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей применяют электромашинные преобразователи.
Электрические машины используют также для усиления мощности электрических сигналов. Такие электрические машины называют электромашинными усилителями. Электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии, называют синхронными компенсаторами. Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока, называют индукционными регуляторами
Очень разнообразно применение микромашин в устройствах автоматики и вычислительной техники. Здесь электрические машины используют не только в качестве двигателей, но и в качестве тахогенераторов (для преобразования частоты вращения в электрический сигнал), сельсинов, вращающихся трансформаторов (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала) и т. п.
Из приведенных примеров видно, сколь разнообразно разделение электрических машин по их назначению.
Рассмотрим классификацию электрических машин по принципу действия, согласно которой все электрические машины разделяются на бесколлекторные и коллекторные, различающиеся как принципом действия, так и конструкцией. Бесколлекторные машины — это машины переменного тока. Они разделяются на асинхронные и синхронные. Асинхронные машины применяются преимущественно в качестве двигателей, а синхронные — как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и от сети переменного тока.
Электрические машины одного принципа действия могут различаться схемами включения либо другими признаками, влияющими на эксплуатационные свойства этих машин. Например, асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными (включаемыми в трехфазную сеть), конденсаторными или однофазными. Асинхронные машины в зависимости от конструкции обмотки ротора разделяются на машины с короткозамкнутым ротором и машины с фазным ротором. Синхронные машины и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения разделяются на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами. На рис. В.4 представлена диаграмма классификации электрических машин, содержащая основные виды электрических машин, получившие наибольшее применение в современном электроприводе. Эта же классификация электрических машин положена в основу изучения курса «Электрические машины».
К
урс «Электрические машины» помимо собственно электрических машин предусматривает изучение трансформаторов. Трансформаторы являются статическими преобразователями электроэнергии переменного тока. Отсутствие каких-либо вращающихся частей придает трансформаторам конструкцию, принципиально отличающую их от электрических машин. Однако принцип Действия трансформаторов, так же как и принцип действия электрических машин, основан на явлении электромагнитной индукции, и поэтому многие положения теории трансформаторов составляют основу теории электрических машин переменного тока.
Электрические машины и трансформаторы — основные элементы любой энергетической системы или установки, поэтому для специалистов, работающих в сфере производства или эксплуатации электрических машин, необходимы знания теории и понимание физической сущности электромагнитных, механических и тепловых процессов, протекающих в электрических машинах и трансформаторах при их работе.
Общие сведения о трансформаторах — Трансформаторы с плавным регулированием напряжения
Способы ступенчатого регулирования напряжения получили наибольшее распространение в сетях среднего напряжения как более простые и надежные. Для получения широких пределов изменения напряжения на выходе трансформатора схемы ступенчатого регулирования малопригодны, так как при этих схемах усложняется переключающая аппаратура, в трансформаторе нарушается равномерное распределение магнитного поля, что приводит к возникновению механических усилий в обмотках, особенно возрастающих при коротких замыканиях. Поэтому лучше регулировать напряжения без переключения витков. Из ряда известных способов такого регулирования приводятся некоторые, представляющие общий интерес, или более перспективные в отношении возможного распространения в сельской электрификации.
Плавное регулирование напряжения возможно при плавном изменении числа включенных в работу витков вторичной обмотки перемещением контактных щеток по неизолированной части внешней поверхности обмотки. Такую конструкцию используют для маломощных автотрансформаторов. В мощных трансформаторах и автотрансформаторах необходимо применить двойные комплекты щеток и сопротивления для ограничения тока при замыкании щетками соседних витков (рис. 71). Вдоль обмотки может передвигаться ряд контактов, раздельно регулирующих напряжения нескольких вторичных цепей. Недостаток этого способа заключается в сравнительно сложной конструкции подвижных щеточных контактов.
Рис. 71. Контакты, перемещающиеся по внешней поверхности обмотки.
Рис. 73. Трансформатор с подматничиваемым шунтом, расположенным вне обмоток переменного тока.
Рис. 72. Схема регулируемого трансформатора с двумя сердечниками с подмагничиванием постоянным током:
1 и 2 — сердечники а и 3 ; 3 — обмотка подмагничивания; 4 — нагрузка.
Принцип плавного регулирования напряжения конструктивно проще реализуется в трансформаторах с элементами, подмагничиваемыми постоянным током. В этом случае нет необходимости в перемещении обмоток или сердечника.
Схема с подмагничиванием раздельных сердечников трансформатора постоянным током дана на рисунке 72. Первичные и вторичные обмотки сердечников соединены последовательно, коэффициенты трансформации должны быть различными. Изменяя магнитную характеристику одного из сердечников, подмагничивая его постоянным током, можно при неизменном значении первичного напряжения U1 получить изменение вторичного напряжения в достаточно широких пределах (до 1,5Uн). Объясняется это тем, что при подмагничивании сердечника увеличивается его насыщение и уменьшается сопротивление взаимоиндукции обмоток на этом сердечнике; соответственно происходит перераспределение первичного напряжения между последовательно соединенными первичными обмотками. При неодинаковых коэффициентах трансформации это приводит к изменению вторичного напряжения. Этой схеме, как бесконтактной, свойственны отсутствие зоны нечувствительности, сравнительно высокое быстродействие и удобство автоматизации изменения подмагничивающего тока в зависимости от требований регулирования напряжения. К недостаткам схемы можно отнести увеличение затрат активных материалов, снижение общего к.п.д. и повышенное потребление реактивной мощности.
Рис. 74. Схема регулирования напряжения автотрансформатора с подвижной короткозамкнутой катушкой.
В отличие от конструкций с двумя сердечниками трансформаторы, регулируемые подмагничиванием шунтов, выполняют, как правило, в виде единой конструкции.
На рисунке 73 показана конструкция, в которой первичная, вторичная и обмотка магнитного шунта расположены самостоятельно на отдельных стержнях.
Магнитный поток первичной обмотки делится на поток Ф2, сцепляющийся со вторичной обмоткой, и поток Фш, проходящий по стержню магнитного шунта. Изменение магнитного сопротивления шунта подмагничиванием меняет и поток Ф2 и, следовательно, вторичное напряжение трансформатора 2.
Раздельное расположение основных обмоток, ослабляя магнитную связь между ними, приводит к большому рассеянию, что является недостатком данной конструкции. Для снижения рассеяния магнитные шунты вместе с их обмотками размещают между силовыми обмотками трансформатора.
Схемы с магнитными шунтами обеспечивают регулирование напряжения в более широких пределах, чем с раздельными сердечниками, однако их распространение ограничено в основном трансформаторами малых мощностей.
На рисунке 74 показаны схема и устройство автотрансформатора с подвижной короткозамкнутой катушкой. Такой автотрансформатор можно использовать как регулятор для изменения под нагрузкой в широких пределах вторичного напряжения U2 при практически неизменном напряжении 1 и как стабилизатор для поддержания на одном уровне изменяющегося в некоторых пределах подведенного напряжения U1.
Неподвижные катушки А, Б, В и Г автотрансформатора расположены на среднем стержне замкнутого сердечника. За счет встречной намотки витков катушек А и В приложенное напряжение U1 создает в сердечнике два противоположно направленных магнитных потока.
Концентрически по отношению к катушкам А и В расположена равная им по высоте подвижная катушка Я. В зависимости от расположения катушки Я приложенное напряжение будет различно распределяться между катушками А и В. Пусть катушка П расположена вверху, концентрически охватывая катушку В. Катушки В и П представят трансформатор в режиме короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания на первичной обмотке В такого трансформатора мало. Напряжение U1 приходится в основном на катушку А.
Последняя в соединении с катушкой Б представляет автотрансформатор с согласным включением обмоток. На зажимах ах возникает напряжение 
где AUв — надбавка напряжения за счет катушки Б.
При перемещении из крайнего верхнего положения в нижнее режим короткозамкнутого трансформатора воспроизведут катушки А и П. Напряжение U1 придется теперь в основном на катушку В, соединенную встречно с катушкой Г по схеме автотрансформатора. Напряжение на вторичной стороне ах
.В промежуточных положениях
при перемещении катушки Я между крайними положениями вторичное напряжение будет плавно меняться в пределах от U’2 до U"9.
К недостаткам автотрансформатора рассмотренного типа относятся значительный ток холостого хода, относительно большие потери напряжения. некоторая сложность и недостаточная надежность конструкции. При малых выдержках времени и отсутствии надежной тормозной системы в процессе регулирования может произойти перерегулирование.
Плавное регулирование, несмотря на свойственные ему преимущества, на трансформаторах средней и большой мощности не получило практического применения из-за трудного выполнения и высокой стоимости.
Какие трансформаторы позволяют плавно изменять напряжение на выходных зажимах
Повышающие и понижающие трансформаторы
До сих пор мы с вами рассматривали трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки имели одинаковую индуктивность, давая примерно одинаковые уровни напряжения и тока в обоих цепях. Однако, равенство напряжений и токов между первичной и вторичной обмотками трансформатора не является нормой для всех трансформаторов. Если индуктивности двух обмоток имеют разную величину, происходит нечто интересное:
Обратите внимание на то, что вторичное напряжение примерно в десять раз меньше первичного (0,9962 вольт против 10 вольт), а вторичный ток примерно в десять раз превышает первичный (0,9962 мА против 0,09975 мА). В этом SPICE моделировании описано устройство, которое в десять раз понижает напряжение и в десять раз повышает ток.
Трансформатор — это очень полезное устройство. С его помощью мы легко можем повысить или понизить напряжение и ток в цепях переменного тока. Появление трансформаторов сделало практической реальностью передачу электроэнергии на большие расстояния. Трансформаторы позволяют уменьшить потери на проводах линий электропередач (соединяющих генерирующие станции с нагрузками) путем повышения переменного напряжения и понижения переменного тока. На обоих концах (как на генераторе, так и на нагрузках) трансформаторы понижают уровни напряжения до более безопасных значений и снижают стоимость применяемого оборудования. Трансформатор, который на выходе (во вторичной обмотке) вырабатывает более высокое напряжение, чем приложено на входе (к первичной обмотке), называется повышающим трансформатором (его вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная). И наоборот, понижающий трансформатор вырабатывает на своем выходе меньшее напряжение, чем подается на его вход, поскольку его вторичная обмотка имеет меньшее число витков по сравнению с первичной.
Посмотрите еще раз на фотографию, показанную в предыдущей статье:
На поперечном разрезе трансформатора хорошо видно первичную и вторичную обмотки.
Это понижающий трансформатор, о чем свидетельствует большое количество витков первичной обмотки и малое число витков вторичной обмотки. Он преобразует высокое напряжение и маленький ток в низкое напряжение и большой ток. Благодаря большому току вторичной обмотки, в ней используется провод большого сечения. Первичная обмотка, ток в которой имеет небольшую величину, может быть выполнена из провода меньшего сечения.
Любой из рассмотренных типов трансформаторов можно использовать по противоположному назначению (подключить вторичную обмотку к источнику переменного напряжения, а первичную обмотку — к нагрузке). В этом случае трансформатор будет выполнять противоположную функцию: понижающий трансформатор будет функционировать как повышающий, и наоборот. Однако, для эффективной работы трансформатора индуктивности каждой из его обмоток должны быть спроектированы под конкретные рабочие диапазоны напряжения и тока (этот вопрос рассматривался в предыдущей статье). Поэтому, при использовании трансформатора по «противоположному» назначению, напряжения и токи его обмоток должны оставаться в исходных конструктивных параметрах. Только в этом случае трансформатор будет эффективен (и не будет поврежден чрезмерным напряжением или током!).
Трансформаторы часто имеют такую конструкцию, что не очевидно, какие провода принадлежат к первичной обмотке, а какие к вторичной. Во избежание путаницы, на многих трансформаторах (в основном импортного производства) используется обозначение «Н» для высоковольтной обмотки (первичная обмотка в понижающем трансформаторе, вторичная обмотка в повышающем трансформаторе), и обозначение «X» для низковольтной обмотки. Поэтому простой силовой трансформатор будет иметь провода с надписью «H1», «H2», «X1» и «X2».
Если вы вспомните, что мощность равна произведению напряжения и тока, то поймете почему напряжение и ток всегда движутся в «противоположных направлениях» (если напряжение увеличивается, то ток уменьшается, и наоборот). Вы так же поймете, что трансформаторы не могут производить энергию, они могут только преобразовывать ее. Любое устройство, которое могло бы произвести больше энергии, чем потребило, нарушило бы Закон сохранения энергии (энергия не может быть создана или уничтожена, она может быть только преобразована).
Практическая значимость вышесказанного становится более очевидной, когда рассматривается альтернатива: до появления эффективных трансформаторов, преобразование уровней напряжения и тока могло быть достигнуто только за счет использования установок, содержащих моторы и генераторы:
Установка мотор/генератор иллюстрирует основной принцип трансформатора
В этой установке мотор механически соединен с генератором. Генератор предназначен для получения желаемых уровней напряжения и тока за счет скорости вращения мотора. В то время, как и мотор и генератор являются достаточно эффективными устройствами, использование их в связке не обладает достаточной эффективностью, так что общий КПД установки находится в диапазоне 90% или менее. Кроме того, движущиеся части данных установок подвержены трению и механическому износу, а это, в свою очередь, влияет как на срок службы, так и на производительность. Трансформаторы же, с другой стороны, способны преобразовывать переменное напряжение и ток с очень высокой эффективностью без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющимся.
Справедливости ради стоит сказать, что установки мотор/генератор не обязательно являются устаревшими в сравнении с трансформаторами во всех сферах применения. Если трансформаторы явно превосходят моторы/генераторы в преобразовании переменного напряжения и тока, то они не могут преобразовать одну частоту переменного тока в другую, а также преобразовать (сами по себе) постоянное напряжение в переменное или наоборот. Установки мотор/генератор могут все это делать относительно просто, хотя и с некоторыми ограничениями эффективности, описанными выше. Эти установки также обладают уникальным свойством сохранения кинетической энергии: то есть, если по какой-либо причине источник питания мотора мгновенно отключается, его угловой момент (инерция вращательного движения) будет еще некоторое время поддерживать вращение генератора, изолируя тем самым нагрузку (питаемую генератором) от «сбоев» в основной энергосистеме.
При внимательном просмотре цифр в SPICE анализе вы должны увидеть соотношение между коэффициентом трансформации и двумя индуктивностями. Обратите внимание на то, что первичная обмотка (l1) имеет в 100 раз большую индуктивность, чем вторичная (10000 Гн против 100 Гн), и что напряжение было понижено с 10 В до 1 В (в 10 раз). Обмотка с большей индуктивностью имеет более высокое напряжение и меньший ток. Поскольку обе обмотки трансформатора намотаны вокруг одного и того же сердечника (для наиболее эффективной магнитной связи между ними), параметры, влияющие на их индуктивность равны, за исключением количества витков в каждой из обмоток. Если мы еще раз взглянем на формулу индуктивности, то увидим, что индуктивность катушки пропорциональна квадрату числа ее витков:
Таким образом, должно быть очевидно, что две обмотки трансформатора в вышеприведенном SPICE моделировании при соотношении их индуктивностей 100 : 1 должны иметь соотношение витков провода 10 : 1, так как 10 в квадрате равно 100. Поскольку соотношение витков соответствует соотношению между первичным и вторичным напряжениями и токами (10 : 1), мы можем сказать, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен соотношению витков провода между первичной и вторичной обмотками.
Повышающее / понижающее действие соотношения витков обмоток в трансформаторе аналогично соотношениям шестеренок в механических редукторных системах, которые преобразуют значения скорости и крутящего момента во многом таким же образом:
Повышающие и понижающие трансформаторы, применяющиеся для распределения электроэнергии, могут иметь гигантские размеры (сопоставимые с размером дома). На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около четырех метров: