1 . Опыт холостого хода

В этом опыте к первичной обмотке подключают номинальное напряжение. Ко вторичной - вольтметр V₂ (см. рис. 1.25.), имеющий очень большое сопротивление, поэтому считают I₂=0, а I₁ - минимален и равен I₁0,05 I_1н. Поэтому из опыта Х.Х. определяются:

1. Коэффициент трансформации

- для понижающего трансформатора,

- для повышающего трансформатора.

2. Мощность потерь в стали (магнитопроводе) трансформатора

При I₂=0 и минимальном I₁ потерями в обмотках (меди) пренебрегают, поэтому ваттметр W показывает мощность потерь в стали

Р_Х.Х.=Р_ст.

Так как величины Ф_m и f не зависят от нагрузки трансформатора, то и Р_ст не зависит от величины нагрузки (тока I₂). Следовательно, Р_ст=const.

2 . Опыт короткого замыкания

В этом опыте вторичная обмотка замыкается накоротко, а напряжение U₁ на первичной обмотке устанавливают такой величины, чтобы ток в ней был равен номинальному I₁=I_1Н (см. рис. 1.26.).

Из опыта К.З. находят:

1. Напряжение короткого замыкания, которое обычно равно:

U_1k=(0,05-0,1)U_1H.

2. Потери в меди (обмотках)

Поскольку U_1KU_1H, то и Ф_КФ_Н, следовательно, потерями в стали можно пренебречь и считать, что вся мощность, потребляемая трансформатором в режиме К.З., выделяется в виде тепла на активных сопротивлениях обмоток

Р_К.З.=Р_МН=R₁I_1H²+R₂I_2H².

Потери в меди, в отличие от потерь в стали, зависят от нагрузки трансформатора. Обозначим , где  - коэффициент нагрузки и определим потери в меди при нагрузке, отличной от номинальной:

P_M=R₁I₁²+R₂I₂²=R₁I_1H²²+R₂I_2H²²=²P_К.З.

Номинальная мощность трансформатора. Под номинальной мощностью S_Н понимают мощность, которую он способен передать нагрузке, не нагреваясь выше допустимой для него температуры.

S_H=U_2H^.I_2H.

При расчетах, учитывая высокий КПД трансформаторов (90% и выше), считают, что полная мощность вторичной цепи равна полной мощности первичной цепи.

S_H=U_2Н^,I_2HU_1H^.I_1H.

Отсюда: .

Следовательно, во сколько раз напряжение вторичной обмотки меньше напряжения первичной, во столько же раз ток вторичной обмотки больше тока в первичной обмотке, т.е. в К раз (или меньше - для повышающего трансформатора).

Расчет кпд трансформатора по данным опытов х.Х. И к.З.

;

При Р_ст=Р_Х.Х., Р_м=²Р_К.З.

Р₂=U_2HI₂cos₂=S₂cos₂;

где cos ₂ – коэффициент мощности нагрузки; S₂=U_2HI₂=U_2H^.I_2H^.=S_H.

Тогда : Р₂=S_Hcos₂.

.

Для трехфазного трансформатора активная мощность, потребляемая симметричной нагрузкой, равна:

Р₂=3Р_Ф2,

где Р_Ф2 - мощность, потребляемая нагрузкой каждой фазы.

Р_Ф2=I_Ф2^.U_Ф2^,сos₂.

Для схемы соединения “звезда”: I_Ф2=I₂; ;

где I₂ и U₂ - линейный ток и линейное напряжение.

Для схемы соединения “треугольник”: ; U_Ф2=U₂.

Следовательно, независимо от схемы соединения:

.

Умножая на 3, получают:

,

где

При I₂=I_2H; U₂=U_2H номинальную мощность трехфазного трансформатора определяют так:

.

Ее можно выразить через I_1Н и U_2Н:

.

1.2.4. Электрические машины

К ним относятся генераторы и двигатели. Генераторы - это преобразователи механической энергии в электрическую. Практически вся электроэнергия в настоящее время вырабатывается генераторами гидро-, тепловых и атомных станций в виде электрической энергии трехфазного переменного тока. В связи с этим наибольшее распространение благодаря низкой стоимости, простоте и надежности конструкции получили асинхронные двигатели.

Двигатели постоянного тока дороже и сложнее в изготовлении, но позволяют получать высокие скорости вращения вала (до нескольких десятков тысяч об/мин) и допускают относительно простое регулирование скорости в широких пределах.

Основными частями любой вращающейся электрической машины являются ротор и статор.

Двигатели постоянного тока (ДПТ). Содержат статор с явно выраженными полюсами, на которых расположена обмотка возбуждения и вращающийся якорь с обмоткой, содержащей до нескольких десятков секций, соединенных между собой. Концы секций подключены к изолированным друг от друга коллекторным пластинам, через которые, с помощью скользящих по ним графитовых щеток, к обмотке якоря подводится постоянный ток I_я.

Уравнение электрического состояния двигателя имеет вид

U=E_я+I_яR_я ,

где: R_я - активное сопротивление обмотки якоря;

Е_я=С_EФn - ЭДС якоря;

С_E – конструктивная постоянная ЭДС машины;

n - частота вращения якоря;

Ф – поток возбуждения машины.

При взаимодействии потока возбуждения Ф и тока якоря I_я, возникает вращающий момент М.

М=С_мФI_я,

где: С_М – конструктивная постоянная момента машины.

С вязь частоты вращения с током якоря двигателя определяется скоростной характеристикой:

где: n₀ = U/c_EФ - скорость холостого хода;

n = R_яI_я/с_EФ- снижение скорости вращения якоря двигателя под нагрузкой из-за падения напряжения на R_я.

В ажнейшей характеристикой двигателя является механическая, она определяет связь между моментом двигателя и частотой вращения

Если мощность двигателя выражена в (кВт), а частота вращения в (об/мин), то момент двигателя в (Нм) будет определяться формулой M = 9550 P/n.

Д ля двигателя постоянного тока с независимым или параллельным возбуждением произведение С_мФ=const не зависит от нагрузки двигателя. Поэтому механическая характеристика этих двигателей n(M) имеет вид прямой линии (рис. 1.27.) и может быть построена по двум точкам: 1) М=0; n=n_0.; 2) М=М_Н; n=n_н. На рисунке n_н и М_н номинальные скорость и момент вращения двигателя.

На рис. 1.28 показаны схемы подключения ДПТ: а) с независимым возбуждением, б) с параллельным возбуждением. Из рис. 1.28,б следует, что ток, потребляемый ДПТ с параллельным возбуждением от сети U

I=I_я+I_в,

где - ток, потребляемый обмоткой возбуждения (ОВ);

R_в - сопротивление ОВ.

Необходимо отметить, что мощность двигателя, указанная на его щитке, представляет собой номинальную механическую мощность на его валу Р_Н. Очевидно, что из-за потерь энергии в двигателе электрическая мощность Р_1Н, подведенная к нему, будет больше Р_Н.

,

где  - КПД двигателя.

П ри пуске ДПТ с независимым или параллельным возбуждением возникает опасность повреждения якоря пусковым током I_П, который может превышать в 30-40 раз номинальный ток якоря. Защищают двигатель при пуске включением последовательно с обмоткой якоря пускового реостата, сопротивление которого по мере разгона двигателя уменьшают до нуля (см. рис. 1.29.). Обычно величину I_П ограничивают на уровне I_П=(2-3)I_ян .

В момент пуска скорость вращения якоря n=0 и Е_я=0, тогда I_п = U/(R_я+R_п) или .

Трехфазный асинхронный двигатель (АД) Статор АД имеет трехфазную обмотку, соединенную в “звезду” или “треугольник”, и обмотку ротора. В зависимости от конструкции обмотки ротора различают АД с фазным ротором и АД с короткозамкнутым ротором. Обмотка фазного ротора выполняется по типу трехфазной обмотки статора из изолированного медного провода и соединяется в “звезду”. К свободным концам обмотки через три контактные кольца и графитовые щетки подключаются пусковые или регулировочные резисторы.

Короткозамкнутая обмотка представляет собой алюминиевые стержни, залитые в пазы ферромагнитного ротора, концы которых соединены между собой по типу “беличье колесо”.

При подключении обмотки статора к трехфазной сети, внутри его образуется вращающееся магнитное поле, которое, пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в ней ЭДС Е₂ и ток I₂. При взаимодействии тока ротора и магнитного поля статора возникает вращающий момент:

М=С_мФ_мI₂cos₂ ,

где: С_м - конструктивный коэффициент машины;

Ф_м - поток статора;

₂ - угол сдвига фаз между ЭДС Е₂ и током ротора I₂.

Относительная разность скорости вращения поля статора n₀ и скорости вращения ротора n называется скольжением:

,

где: (об/мин);

f₁=50 Гц - частота сети;

р=1,2,3 и т.п. - число пар полюсов обмотки статора.

Скорость n₀ в зависимости от р может иметь величину 3000, 1500, 1000 и т.д. об/мин.

Скорость вращения ротора всегда меньше n₀, n=n₀(1-S).

П ри S_H=0,02-0,08 n_H=(0,92-0,98)n₀.

Эксплуатационные возможности АД, как и любого преобразователя электрической энергии в механическую, определяет его механическая характеристика (рис. 1.30.). На рисунке: М_н, М_п, М_max – номинальный, пусковой и максимальный (критический) моменты.

Она может быть рассчитана по паспортным данным АД по приближенным формулам:

,

где S_k - критическое скольжение.

;

; .

Результаты расчета заносят в таблицу 1.1.

Таблица 1.1.

S	0	SH	SK	0,3	0,5	0,7	0,8	0,9	1
M (H.м)
n (об/мин)

По данным таблицы 1.1. строят механическую характеристику.

АД представляет для сети симметричную нагрузку, поэтому номинальную активную мощность, потребляемую им, определяют так:

или ;

где - номинальная механическая мощность на валу двигателя (указывается на щитке АД);

_Н - номинальный КПД.

Отношение пускового тока I_П к номинальному I_H определяется коэффициентом , а пускового момента М_П к номинальному М_Н : . Коэффициент определяет перегрузочную способность двигателя.

В ыбор мощности двигателя. Мощность двигателя выбирается такой, чтобы в процессе работы он не нагревался выше допустимой температуры. При этом момент нагрузки сопротивления М_С на валу двигателя может быть постоянным (рис. 1.31,а) или непостоянным (рис. 1.31,б).

При постоянном М_С механическая мощность на валу двигателя:

(Вт),

где М - Н^.м;

n - об/мин.

При непостоянном М_С (рис. 1.31,б) мощность Р находят по эквивалентному моменту нагрузки М_СЭ:

.

После расчета Р по каталогу выбирают двигатель из условия:

1. Р_НР, где Р_Н - номинальная (паспортная) мощность двигателя.

2. n_Н  n, где n - заданная скорость вращения механизма.

3. М_max=K_mM_HM_наиб , где M_наиб - наибольший момент на валу двигателя (из рис. 2б M_наиб=М₂).

4. М_ПМ₁, где М₁ - момент нагрузки на валу двигателя ( см. рис. 1.31,б при t=0).

Если величина М_П в каталоге отсутствует, то принимают М_П=1,5М_Н.

Если скорость вращения механизма n3000 об/мин и ее не требуется регулировать, то выбирают трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

49