- •Глава 1. Электростатика
- •Глава 2. Постоянный ток
- •Глава 3. Электромагнетизм и электромагнитная индукция
- •Глава 4. Однофазный переменный ток
- •Глава 5. Трехфазная система переменного тока
- •Глава 6. Электрические измерительные приборы и измерения
- •66. Общие сведения
- •Глава 7. Трансформаторы стр. 119.
- •Глава 8. Асинхронные двигатели
- •Глава 9. Синхронные машины
- •Глава 10. Машины постоянного тока
- •Глава 11. Электрическая аппаратура управления и защиты
- •Глава 12. Производство, передача и распределение электрической энергии
- •Глава 13. Электровакуумные приборы
- •Глава 14. Газорязрядные приборы
- •Глава 15. Полупроводниковые приборы
- •Глава 1
- •§ 1. Понятие об электронной теории строения вещества
- •§2. Взаимодействие зарядов. Закон кулона
- •§ 3. Электризация тел
- •§ 4. Электрическое поле
- •§ 5. Потенциал
- •§ 6. Напряженность поля
- •§ 7. Понятие об электрическом токе
- •§ 8. Проводники и диэлектрики
- •§ 9. Электрическая емкость. Конденсаторы
- •§ 10. Заряд и разряд конденсатора
- •§11. Соединения конденсаторов
- •§ 12. Понятие об электроискровом способе обработки металлов
- •Контрольные вопросы
- •Глава II
- •Постоянный ток
- •§ 13. Электрическая цепь постоянного тока
- •§ 14. Электродвижущая сила
- •§ 15. Электрическое сопротивление
- •§ 16. Закон ома
- •§ 17. Последовательное соединение сопротивлений
- •§ 18. Первый закон кирхгофа
- •§ 19. Параллельное соединение сопротивлений
- •§ 20. Смешанное соединение сопротивлений
- •§ 21. Второй закон кирхгофа
- •§ 22. Работа и мощность электрического тока
- •§ 23. Коэффициент полезного действия или отдача
- •§ 24. Закон ленца —джоуля
- •§ 25. Нагревание проводников электрическим током
- •§ 26. Электрическая дуга
- •§ 27. Химическое действие электрического тока
- •§ 28. Гальванические элементы
- •§ 29. Аккумуляторы
- •§ 30. Атомные элементы
- •§ 31. Термоэлементы
- •§ 32. Солнечные батареи
- •Глава III
- •Электромагнетизм
- •И электромагнитная индукция
- •§ 33. Общие сведения
- •§ 34. Магнитное поле электрического тока
- •§ 35. Понятие о природе магнетизма
- •§ 36. Магнитная индукция
- •§ 37. Напряженность магнитного поля
- •§ 38. Магнитный поток
- •§ 39. Намагничивание стали. Магнитная проницаемость
- •§ 40. Перемагничивание стали. Коэрцитивная сила
- •§ 41. Потери энергии на перемагничивание
- •§ 42. Электромагниты и их применение
- •§ 43. Электромагнитная индукция.
- •§ 44. Самоиндукция. Индуктивность
- •§ 45. Величина и направление э. Д. С. Самоиндукции
- •§ 46. Взаимоиндукция
- •§ 47. Вихревые токи
- •Контрольные вопросы
- •Глава IV однофазный переменный ток
- •§ 48. Получение переменной электродвижущей силы
- •§ 49. Основные величины, характеризующие переменный ток
- •§ 50. Понятие о сложении переменных напряжений и токов.
- •§ 51. Понятие о векторах и векторных диаграммах
- •§ 52. Активное сопротивление в цепи переменного тока
- •§ 53. Индуктивность в цепи переменного тока
- •§ 54. Емкость в цепи переменного тока
- •§ 55. Цепь переменного тока с активным и индуктивным сопротивлениями
- •§ 56. Цепь переменного тока с активным, индуктивным и емкостным сопротивлениями
- •§ 57. Цепь переменного тока с параллельно соединенными сопротивлениями
- •§ 58. Понятие о резонансе напряжений
- •§ 59. Понятие о резонансе токов
- •§ 60. Мощность однофазного переменного тока
- •Глава V трехфазная система переменного тока
- •§ 61. Трехфазные генераторы
- •§ 62. Соединения обмоток генератора
- •§ 63. Включение нагрузки в сеть трехфазного тока
- •§ 64. Мощность трехфазного тока
- •§ 65. Вращающееся магнитное поле
- •Контрольные вопросы
- •Глава VI электрические измерительные приборы и измерения
- •§ 66. Общие сведения
- •§ 67. Электромагнитные приборы
- •§ 68. Магнитоэлектрические приборы
- •§ 69. Термоэлектрические приборы
- •§ 70. Электродинамические приборы
- •§ 71. Индукционные приборы
- •§ 72. Измерение силы тока. Расширение пределов измерения амперметра
- •§ 73. Измерение напряжения. Расширение пределов измерения вольтметра
- •§ 74. Измерение сопротивлений
- •§ 75. Мегомметр
- •§ 76. Универсальный электроизмерительный прибор
- •§ 77. Мост для измерения сопротивлений
- •§ 78. Измерение электрической мощности и энергии
- •§ 79. Понятие об измерении неэлектрических величин
- •Контрольные вопросы
- •Глава VII трансформаторы
- •§ 80. Общие сведения о трансформаторах
- •§ 81. Принцип действия и устройство трансформатора
- •§ 82. Рабочий процесс трансформатора
- •§ 83. Трехфазные трансформаторы
- •§ 84. Опыт холостого хода и короткого замыкания
- •§ 85. Определение рабочих свойств трансформаторов по данным опытов холостого хода и короткого замыкания
- •§ 86. Автотрансформаторы
- •§ 87. Измерительные трансформаторы
- •Глава VIII асинхронные двигатели
- •§ 88. Общие положения
- •§ 89. Принцип действия асинхронного двигателя
- •§ 90. Обмотки машин переменного тока
- •§ 91. Устройство асинхронного двигателя
- •§ 92. Работа асинхронного двигателя под нагрузкой
- •§ 93. Вращающий момент асинхронного двигателя
- •§ 94. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
- •§ 95. Пуск в ход асинхронных двигателей
- •§ 96. Двигатели с улучшенными пусковыми свойствами
- •§ 97. Регулирование скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей
- •§ 98. Однофазные асинхронные двигатели
- •Глава IX синхронные машины
- •§ 100. Принцип действия синхронного генератора
- •§ 101. Устройство синхронного генератора
- •§ 102. Работа синхронного генератора под нагрузкой
- •§ 103. Синхронные двигатели
- •Глава X машины постоянного тока
- •§ 104. Принцип действия генератора постоянного тока
- •§ 105. Устройство генератора постоянного тока
- •§ 106. Обмотки якорей машин постоянного тока
- •§ 107. Э. Д. С. Машины постоянного тока
- •§ 108. Магнитное поле машины постоянного тока при нагрузке
- •§ 109. Коммутация тока
- •§ 110. Работа машины постоянного тока в режиме генератора
- •§ 111. Способы возбуждения генераторов постоянного тока
- •§ 112. Характеристики генераторов постоянного тока
- •§ 113. Работа машины постоянного тока в режиме двигателя
- •§ 114. Пуск двигателей постоянного тока
- •§ 115. Характеристики двигателей постоянного тока
- •§ 116 Регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока
- •§ 117. Потери и к. П. Д. Машин постоянного тока
- •§ 118. Коллекторные двигатели переменного тока
- •Глава XI электрическая аппаратура управления и защиты
- •§ 119. Выключатели и рубильники
- •§ 120. Автоматы
- •§ 121. Предохранители
- •§ 122. Реостаты
- •§ 123. Контроллеры
- •§ 124. Контактор. Магнитный пускатель
- •§ 125. Тепловое реле
- •Контрольные вопросы
- •Производство, передача и распределение электрической энергии
- •§ 126. Производство и передача электрической энергии
- •§ 127. Трансформаторные подстанции
- •§ 128. Оборудование трансформаторных подстанций
- •§ 129. Защита электрооборудования
- •Глава XIII электровакуумные приборы
- •§ 130. Электронная эмиссия
- •§ 131. Двухэлектродная лампа (диод)
- •§ 132. Характеристика и параметры диода
- •§ 133. Выпрямление переменного тока
- •§ 134. Трехэлектродная лампа (триод)
- •§ 135. Характеристика и параметры триода
- •§ 136. Принцип усиления электрических колебаний
- •§ 137. Ламповый генератор
- •§ 138. Триод в электронном реле
- •§ 139. Четырехэлектродная лампа (тетрод)
- •§ 140. Пятиэлектродная лампам (пентод)
- •§ 141. Электроннолучевая трубка. Осциллограф
- •Глава XIV газоразрядные приборы
- •§ 142. Ионные приборы
- •§ 143. Неоновая лампа
- •§ 144. Газосветная лампа
- •§ 145. Стабилитрон
- •§ 146. Тиратрон
- •§ 147. Ртутный выпрямитель
- •§ 148. Газоразрядный счетчик радиоактивных излучений
- •Глава XV полупроводниковые приборы
- •§ 149. Строение и электропроводность полупроводников
- •§ 150. Понятие об электронной и дырочной проводимости
- •§ 151. Примесная проводимость полупроводника
- •§ 152. Образование электронно-дырочного перехода
- •§ 153. Полупроводниковые диоды
- •§ 154. Полупроводниковые выпрямители
- •§ 155. Транзисторы
- •§ 156. Тиристоры
- •§ 157. Фотоэлементы и фотореле
- •Контрольные вопросы
§ 81. Принцип действия и устройство трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток I0 (ток холостого хода), который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, будет индуктировать в этой обмотке э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (на рис. 98 — лампа накаливания), то под действием индуктируемой э. д. с. Е2 по этой обмотке и через приемник энергии будет протекать ток I2. Одновременно и в первичной обмотке появится нагрузочный ток I', который в сумме с током холостого хода I0 определит ток первичной обмотки I1. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.
Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном магнитопроводе.
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собираются из тонких пластин (толщиной 0,5 щ 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростойким лаком).
Материалом магнитопровода является трансформаторная сталь Э-42; Э-43; Э-43А; Э-320; Э-330; Э-ЗЗОА и др.
В настоящее время осуществляется полный переход на сталь Э-ЗЗОА. Марки электротехнических сталей обозначают: буква Э — сталь электротехническая; первые цифры после буквы (1, 2, 3, 4) — степень легированности стали (1 — слаболегированная, 2 — среднелегированная, 3 — повышеннолегированная, 4 — высоколегированная) ; вторые цифры — гарантированные свойства стали (удельные потери в стали при частоте 50 гц: нормальные — 1; пониженные — 2 и низкие — 3); А — особо низкие удельные потери в стали, 0 — сталь холоднокатаная.
Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше, чем у горячекатаной) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как поперек проката магнитная проницаемость относительно низкая. Поэтому магнитопроводы из холоднокатаной стали делают так, чтобы магнитные линии замыкались
по направлению проката стали. Магнитопроводы трансформаторов малой мощности изготовляют из ленты холоднокатаной стали.
В настоящее время ленточные разрезные магнитопроводы трансформаторов получают следующим образом: половину магнитопроводов изготовляют из полос холоднокатаной стали различной длины так, что полосы укладываются в пакет ступенями. В специальных формах пакеты на прессе выгибаются в половины (верхнюю и нижнюю) магнитопровода и отжигаются для снятия остаточных механических напряжений. После пропитки в клеящем составе (для склейки отдельных листов) половины магнитопроводов подвергаются механической обработке (для фрезеровки стыков) и направляются на сборку.
При сборке трансформатора обмотки устанавливают на магнитопроводе, и половины магнитопроводов (верхняя и нижняя) составляются и стягиваются, причем предварительно места стыков покрывают специальным клеящим составом.
В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы собираются из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, чтобы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе совпадало с направлением прокатки стали. У горячекатаной стали магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при малых мощностях магнитопроводы собираются из пластин Ш или П-образной формы, которые штампуются из листовой стали.
В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет Два стержня, на которых помещены его обмотки (рис. 99,а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали. Магнитопровод броневого однофазного трансформатора (рис. 99, б) имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена сердечником от механических повреждений.
Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали подобны стержневым (рис. 99,в) или броневым (рис. 99,г).
Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, так как у них проще изоляция обмоток высшего напряжения от сердечника, чем в броневых. В трансформаторах малой мощности напряжения обмоток малы, а поэтому изоляция их от сердечника значительно упрощается.
Трансформаторы малой мощности часто изготовляют с броневым магнитопроводом, который имеет только один комплект с двумя обмотками, тогда как у стержневого — два комплекта.
Магнитный поток в броневом магнитопроводе, выходя из стержня, разветвляется на две равные части так, что магнитный поток, замыкающийся через ярмо, вдвое меньше, чем в стержне, вследствие чего сечение ярма делают вдвое меньшим, чем сечение стержня. I
Часто выполняют сердечники трансформаторов с уширенным ярмом, в которых поперечное сечение ярма больше поперечного сечения стержня. Это дает возможность уменьшить магнитную индукцию в ярме, снижает потери в стали и уменьшает потребление трансформаторами реактивных намагничивающих токов из сети.
Для измерительных и лабораторных трансформаторов, а также при повышенной частоте применяют тороидальные (кольцеобразные) магнитопроводы, достоинством которых является относительна но малое магнитное сопротивление и почти полное отсутствие внешнего потока рассеяния. При равномерном распределении обмоток по окружности тороида такие трансформаторы не чувствительны к внешним магнитным полям независимо от их направления. Тороидальные магнитопроводы изготовляют из ленты холоднокатаной стали, а обмотки наматываются на специальном станке челночного типа.
Обмоткам трансформатора придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. При такой форме обмотки лучше противостоят радиальным механическим усилиям, возникающим во время работы трансформатора. В некоторых случаях до ряду соображений применяют катушки более сложной формы — прямоугольные, овальные и др. При малых токах обмотки наматываются из медного или алюминиевого изолированного провода круглого поперечного сечения. При больших токах применяют провод прямоугольного поперечного сечения, наматываемый в одну или несколько параллелей.
. Расположение цилиндрических обмоток показано на рис. 100. Ближе к стержню магнитопровода располагается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН. Обмотку низшего напряжения изолируют от магнитопровода прокладками, рейками, шайбами и другими изоляционными деталями (чаще из электрокартона)-
Обмотку высшего напряжения изолируют от обмотки низшего напряжения.
При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопровода желательно придать круглую форму, так как в этом случае в площади, охватываемой обмотками, не остается промежутков, не заполненных сталью. Чем меньше незаполненных промежутков, тем меньше длина витков обмоток, и, следовательно, вес обмоточного провода при заданной площади поперечного
сечения магнитопровода.
Однако магнитопроводы круглого поперечного сечения не делают. Для изготовления магнитопровода круглого сечения надо его собрать из большого числа стальных листов различной ширины, что потребует большого числа штампов. Поэтому у трансформаторов большой мощности магнитопровод имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 9—10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. На рис. 100 показано три ступени поперечного сечения магнитопровода.
Для лучшего охлаждения в магнитопроводах мощных трансформаторов устраивают охлаждающие каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов. Охлаждающие каналы устраивают и в обмотках.
В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек. При малых токах радиальные механические усилия, возникающие при работе трансформатора и действующие на обмотки, будут малы, так что изготовление обмоток упрощается.
Магнитопроводы трансформаторов собирают встык или внахлест. При сборке встык все части магнитопровода собирают раздельно из отдельных полос или пластин и затем вместе.
При такой сборке просто осуществляется монтаж и демонтаж трансформатора, но в месте стыка необходимо поместить изоляционную прокладку, увеличивающую магнитное сопротивление. При установке ярма его пластины не будут точно совпадать с пластинами стержня, в результате чего пластины ярма и стержня окажутся замкнутыми. Такое замыкание пластин поведет к увеличению вихревых токов, которые могут вызвать недопустимо высокий нагрев стали в месте стыка. Нагрев может стать настолько большим, что стальные пластины сплавятся в сплошную массу («пожар» в стали) и трансформатор выйдет из строя.
При сборке внахлест стальные пластины укладывают так, чтобы у лежащих рядом полос разрезы были в различных точках.
Такая сборка усложняет монтаж и демонтаж трансформатора, но и позволяет значительно уменьшить магнитное сопротивление, так как пластины могут плотно прилегать одна к другой.
В паспорте трансформатора указывают его номинальную мощность Р, номинальные напряжения U1 и U2 и токи I1 и I2 первичной и вторичной обмоток при полной (номинальной) нагрузке.
Номинальной мощностью трансформаторов называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной (номинальной) нагрузке. Номинальная мощность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольтамперах или киловольтамперах. В ваттах и киловаттах измеряют активную мощность трансформатора, т. е. ту мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д.
Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электрического аппарата определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, протекающим по проводнику и, следовательно, полной мощностью.
Трансформаторы малой мощности имеют большую удельную поверхность охлаждения и естественное воздушное охлаждение является для них вполне достаточным.
Трансформаторы большой мощности устраивают с масляным охлаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным маслом. Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора.
Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы.
Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность.
Для обеспечения нормальной эксплуатации трансформатора необходимо контролировать температуру масла, заменять его новым, производить периодическую сушку и очистку трансформатора.
Изменение температуры трансформатора приводит к изменению уровня масла. В связи с этим баки трансформаторов снабжаются расширителями.
Расширитель, представляющий собой цилиндрический сосуд из листовой стали, устанавливают над крышкой бака и соединяют патрубком. Уровень масла изменяется только в расширителе, что позволяет уменьшить поверхность масла, соприкасающуюся с воздухом, и предохранить масло от загрязнения и увлажнения.