Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі
«Алматы энергетика және байланыс университеті»
коммерциялық емес акционерлік қоғамы
Р.М. Шидерова К.О. Ғали Н.К. Алмуратова
ЭЛЕКТР МАШИНАЛАРЫ.
ТРАНСФОРМАТОРЛАР ЖӘНЕ АСИНХРОНДЫ МАШИНАЛАР Оқу құралы
АЭжБУ 2016
2 ӘОЖ 621.313 (075.8)
КБЖ 31.16 я 73 С 13
Пікір берушілер:
техника ғылымының кандидаты, К.И. Сәтпаев атындағы ҚазҰЗТУ,
«ЭжТКА» кафедрасының меңгерушісі, доцент Е. Хидолда,
К.И. Сәтпаев атындағы ҚазҰТУ, «ЭжТКА» кафедрасының доценті Т.М. Мунсузбай,
техника ғылымының докторы, АЭжБУ, «ӚҚЭА» кафедрасының профессоры
Сагитов П.И.
Алматы энергетика және байланыс университетінің Ғылыми кеңесі басуға ұсынды (26.01. 2016 ж. №5 хаттама). АЭжБУ 2016 ж. ведмостік әдебиеттер басылымдарын шығарудың тақырыптық жоспары бойынша басылады,
реті 20.
Шидерова Р.М., Гали Х.О., Алмуратова Н.К.
Ш Электр машиналары. Трансформаторлар және асинхронды машиналар. Оқу құралы (жоғарғы оқу орындарының «Электр энергетикасы» мамандығының студенттеріне арналған) Шидерова Р.М., Ғали К.О., Алмуратова Н.К. – Алматы: АЭжБУ, 2016. – 93 бет.: суреттер 80, әдебиеттер тізімі – 8 атау.
ISBN 978 - 601 - 7436 - 95 - 7
Ұсынылған оқу құралында қазіргі уақыттағы автоматты электр жетегі жүйелерінде элементтер ретінде кең қолданылатын микромашиналардың негізгі түрлері, яғни атқарушы қозғалтқыштар, тахогенераторлар, айналмалы трансформаторлар және синхронды байланыстан тұратын машиналар, сонымен қатар олардың құрылысы мен тәжірибеде қолданылуы қарастырылған.
Оқу құралы «Электр энергетика» мамандығы бойынша оқитын студенттерге арналған.
ӘОЖ 621.313 (075.8) КБЖ 31.16. я 73 ISBN 978 - 601 - 7436 - 95 - 7
© АЭжБУ, 2016 © Шидерова Р.М., Гали Х.О.,
Алмуратова Н.К., 2016
Мазмұны
Кіріспе... 5
1 Электр машиналары мен трансформаторлар 6 1.1 Электр машиналары және трансформаторлар жӛнінде жалпы мағлұматтар... 6 1.2 Электр машиналары мен трансформаторларда пайдаланылатын материалдар... 9
2 Трансформаторлар... 10
2.1 Номинал шамалар... 10
2.2 Трансформатордың құрылысы... 11
2.3 Трансформатордың жұмыс істеу принципі... 13
2.4 Келтірілген трансформатор... 16
2.5 Трансформатордың орынбасу сұлбасы және векторлық диаграммасы... 17
2.6 Бос жүріс тәжірибесі... 18
2.7 Қысқаша тұйықтау тәжірибесі... 22
2.8 Трансформатордың жүктемемен жұмыс істеуі... 25
2.9 Үш фазалы трансформаторлар... 34
2.10 Трансформаторлардың параллель жұмысы ... 39
3 Айнымалы ток машиналарының ортақ теориясы... 45
3.1 Айнымалы ток машиналарының статор орамалары... 45
3.2 Айналушы магнит ӛрісінің туралы ұғым... 52
3.3 Айнымалы токтың электр машиналарының орамаларындағы электр қозғаушы күштері... 55
3.4 ЭҚК қисығының пішінін жақсарту... 61
4 Асинхронды машиналар... 66
4.1 Асинхронды машиналардың құрылысы... 66
4.2 Асинхронды машиналардың қозғалтқыш режиміндегі жұмыс істеу принципі... 69
4.3 Роторы қозғалмай тұрған кездегі үш фазалы асинхронды машина... 71
4.4 Асинхронды қозғалтқыштың орынбасу сұлбасы... 75
4.5 Қуаттар және асинхронды машинаның жұмыс істеу режимдері 76 4.6 Асинхронды машиналардың айналдырушы моменттері мен механикалық сипаттамалары... 79
4.7 Электрмагниттік моменттің сырғуға тәуелділігі... 81
4.8 Асинхронды машиналардың орнықты жұмыс істеу шарттары.. 85
81 4.9 Асинхронды машиналардың механикалық сипаттамалары... 86
4.10 Асинхронды қозғалтқыштың асқын жүктемелік қабылеттілігі 86 4.11 Үш фазалы АҚ жүргізіп жіберу... 87
4.12 Бастапқы жүргізуші момент пен жүргізуші токтың еселіг... 87
4.13 Жүргізу тәсіліне қойылатын талаптар... 88
4
4.14 Фазалық роторлы қозғалтқышты жүргізу... 91 Әдебиеттер тізімі... 92
Кіріспе
Электр машиналарының дамуы электр машиналарының жұмыс істеу принципіне негізделген, 1831 жылы ағылшын физигі М. Фарадей ашқан және кейін Д. Максвел дамытқан электрмагниттік индукия заңынан бастау алады.
1832 жылы Э. Ленц электр машиналарының қайтымдылығын түсіндірді. Сол кездегі ғалымдардың электрмагниттік ӛрістерге зерттеулер жүргізуі, іс жүзінде қолдануға болатын моделдер жасай бастауына мүмкіндіктер туғызды.
Алғашқы электр машиналардың даму кезеңі негізінен тұрақты токка байланысты болды. Ол электр энергиясын тұтынатын қондырғылар тек қана тұрақты токта жұмыс істеуімен түсіндіріледі (дугалық шамдар, галваникалық қондырғылар және т.б.).
XVIII ғасырдың 80-ші жылдары электр энергиясын қашық жерлерге беру қажеттілігі пайда болды. 1882 жылы тұрақты токтың электр энергиясын қашық жерлерге беру бойынша алғашқы тәжірибелер жүргізілді. Бірақ тұрақты ток генераторларындағы жоғары кернеу коллектордың жұмысын нашарлатты және жиі істен шығуына әкелді.
XIX ғасырдың соңында электр энергиясын пайдаланудың артықшылығы және кеңінен пайдалану мүмкіндігі толықтай анықталды.
Электр энергиясының тамаша қасиеттері, оларды ӛндірудің, түрлендірудің, тасымалдаудың, таратудың жане үлкен қашықтыққа берудің қарапайымдылығы дәлелденді және іс жүзінде іске асырылды.
1876 жылы П.Н. Яблочков ӛзі ойлап тапқан электр шырағын қоректендіру үшін трансформатор пайдаланды. Трансформаторды ойлап шығару, осы уақытқа дейін ешбір жерде қолданылмаған айнымалы токты пайдалануға қызығушылық туғызды.
Ұлы орыс ғалымы М.О. Доливо-Добровольский еңбектерінің де үлкен мәні бар, себебі оның жұмыстары айнымалы токты пайдалануға үлкен серпіліс берді. 1889 жылы ол үш фазалы айнымалы ток жүйесін ұсынды және бірінші үш фазалы асинхронды қозғалтқыш пен бірінші үш фазалы трансформаторды жасап шығарды, олардың негізгі құрылыстық элементтері осы уақытқа дейін қолданылуда.
Электр машиналарын жасауды дамытудағы ең маңызды жаңалық 1901 жылы электр техникалық болатқа кремниді қосуды ойлап табу болды. Ол машинаның салмағы мен кӛлемін азайтуға және олардың сипаттамаларын жақсартуға мүмкіндік берді.
6
1 Электр машиналары мен трансформаторлар жөнінде қысқаша тарихи мағлұматтар
1.1 Электр машиналары және трансформаторлар жөнінде жалпы мағлұматтар
Электр машиналары механикалық энергияны электр энергиясына, немесе электрлікті механикалыққа немесе электр энергиясын тегі басқа токтың, басқа кернеудің, басқа жиіліктің электр энергиясына түрлендіруге арналған. Электр машинасының жұмысы электр магниттік индукция құбылысын пайдалануға негізделген.
Электр магниттік индукция құбылысының мәні, ӛзгеретін магнит ӛрісінде орналасқан ӛткізгіште ЭҚК пайда болуында. Егер тұрақты магниттердің немесе электр магниттерінің N және S полюстерінің ӛрісіне (1.1 сурет) ӛткізгіш орналастырып және оны қандай да бір F1 күшпен қозғаса, онда ол ӛткізгіште ЭҚК пайда болады.
Фарадейдің тұжырымдауы бойынша электр магниттік индукция заңы:
𝑒 = 𝐵𝑙𝜈𝑠𝑖𝑛𝛼 = 𝐵𝑙𝜈, (1.1) мұнда B – ӛткізгіш орналасқан жердегі магниттік индукция;
l – ӛткізгіштің активті ұзындығы (оның, магнит ӛрісіндегі бӛлігі);
V – ӛткізгіштің магнит ӛрісіндегі қозғалу жылдамдығы;
α – максимал магнит индукциясының және ӛткізгіштің қозғалу жылдамдығының векторларының арасындағы бұрыш (қарастырып отырған жағдайда α = π’2, т.е. sin α = 1).
Максвелдің тұжырымдауы бойынша электр магниттік индукция заңы:
dt d dt
W dФ
e
, (1.2) мұнда Ф – магнит ағыны;
W- орамдар саны;
- толық магнит ағыны.
1.1 сурет – Электр машиналарының жұмыс жасау принципі FЭМ
N
S
F1,V
Ӛткізгіште индукцияланған ЭҚК бағыты оң қол ережесі бойынша анықталады.
Оң қол ережесі.
Оң қолдың алақанын оған магнит ӛрісінің күш сызықтары кіретіндей етіп ұстаймыз, бұл кезде жазылған бас бармақ магнит ағынына қатысты сымның қозғалу бағытын кӛрсетсе, онда созылған тӛрт саусақ ЭҚК бағытын кӛрсетеді.
1.2 сурет – Оң қол ережесі
Егер сымды қандайда-бір энергия қабылдағышының кедергісі арқылы тұйықтасақ, онда пайда болған тізбекте ЭҚК әсерінен I ток жүреді және оның бағыты ӛткізгіштегі ЭҚК бағытымен бағыттас болады. Ӛткізгіштегі ток пен полюстердегі магнит ағынының әрекеттесу нәтижесінде электрмагниттік күш пайда болады, оның бағыты сол қол ережесі бойынша анықталады.
. lBI
FЭМ (1.3) Сол қол ережесі.
Сол қолдың алақанын, магнит ӛрісінің күш сызықтары алақанға кіретіндей етіп ұстаймыз, бұл кезде тӛрт созылған саусақ токтың бағытын кӛрсетсе, онда жазылған бас бармақ магнит ӛрісіндегі тогы бар ӛткізгішке әсер ететін күштің бағытын кӛрсетеді
1.3 сурет – Сол қол ережесі
Ӛткізгіштің қозғалысы
ЭҚК
Күштің бағыты
Ток
8
Бұл күш F1 күшіне қарсы бағытталған және FЭМ= F1 болған кезде ӛткізгіш тұрақты бір жылдамдықпен қозғалады. Сонымен, ӛткізгіштің қозғалуына жұмсалатын механикалық энергия шықпалық қабылдағыштың кедергісіне берілетін электр энергиясына түрленеді, яғни машина генератор режимінде жұмыс істейді.
Егер электр энергиясының басқа бір қорек кӛзінен ӛткізгіш арқылы ток жүргізссе, онда ӛткізгіштегі ток пен полюстердегі магнит ӛрісінің ӛзара әрекеттесу нәтижесінде FЭМ электрмагниттік күш пайда болады, осының әсерінен ӛткізгіш қандайда-бір механикалық энергия қабылдағышының тежеуші күшін жеңіп магнит ӛрісінде қозғала бастайды, яғни машина қозғалтқыш болып жұмыс істейді. Сонымен, электрмагниттік индукция және электрмагниттік күштер заңдарының ортақ болу себебінен кез келген электр машинасы генератор режимінде, сондай-ақ қозғалтқыш режимінде де жұмыс істей алады, бұл электр машиналарының қайтымдылық принципіне сәйкес келеді.
Электр машиналары тұрақты және айнымалы ток машиналары болып бӛлінеді. Айнымалы ток машиналарында айналушы магнит ӛрісі пайда болады, оның айналу жиілігі желідегі токтың жиілігіне тәуелді болады.
Айнымалы ток машиналарын бір фазалы және кӛп фазалы (әдетте үш фазалы) деп бӛлуге болады, жұмыс істеу принципіне байланысты – синхронды және асинхронды деп бӛлінеді. Синхронды машиналарды генератор ретінде кӛп пайдаланады және ӛндірілетін электр энергиясының бәрі де осы типтегі генераторлармен ӛндіріледі. Синхронды қозғалтқыштарды әдейі арналған жерлерде (жиіліктің тұрақтылығы, cos φ кӛтеру және т.б.) пайдаланумен шектеледі. Қозғалтқыш ретінде пайдаланылатын асинхронды машиналар, кейбір елеулі артықшылықтарының әсерінен электр машиналарының ішінде ең кӛп таралғаны болады.
Айнымалы токтың синхронды және асинхронды машиналарынан басқа, айнымалы ток қозғалтқышы ретінде пайдаланылатын және жылдамдықты кең аралықта үнемді реттеуге мүмкіндік беретін коллекторлық машиналарды да қолданады, олардың реттемелік сипаттамалары тұрақты ток қозғалтқыштарының сипаттамаларына жақын болады.
Электр энергиясын басқа тектегі токтың электр энергиясына (басқа кернеудің, фазалар санының, жиіліктің) түрлендіру үшін пайдаланылатын электр машиналарын, түрлендіргіштер деп атайды. Электр механикалық сигналдардың реттегіштері және күшейткіштері ретінде қолданылатын электр машиналарын, электр машиналық реттегіштер және күшейткіштер деп атайды.
Бір кернеудің айнымалы тогын сол жиіліктегі басқа бір кернеудің айнымалы тогына түрлендіретін статикалық электр магниттік түрлендіргіш болатын трансформаторды физикалық құбылыстары ортақ болатындықтан электр машиналарына жатқызады. Трансформаторларды электр энергиясын үлкен қашықтыққа жеткізу және оны тұтынушылар арасында тарату кезінде,
сондай-ақ әртүрлі түрлендіруші, ӛлшеуші, қорғаушы және де басқа қондырғыларда пайдаланады.
1.2 Электр машиналары мен трансформаторларда пайдаланылатын материалдар
Электр машиналары мен трансформаторларды жасаған кезде, оларды активті, оқшауламалаушы және құрылыстық деп бӛлуге болатын материалдар қолданылады.
Активті материалдар. Электр машиналары мен трансформаторлар жұмыс істеген кезде электр магниттік үрдістердің бір қалыпты ӛтуін қамтамасыз ететін, мұндай материалдар магниттік және ӛткізгіштік (ток ӛткізуші) болады.
Ӛткізгіштік материалдарға бәрінен бұрын, меншікті кедергісі аз болатын мысты жатқызады. Мыстан түйіспелік сақина мен коллекторлық тіліктер дайындалады. Мыспен қатар алюминиді, ал кейбір жағдайларда латун мен қоланың қоспасын да қолданады. Мыс пен алюминиден электр машиналары мен трансформаторлардың орамалары үшін кӛлденең қимасы дӛңгелек және тік бұрышты болатын сымдар жасалады.
Электр машиналары мен трансформаторлардың ӛзекшелері үшін магниттік материалдар ретінде әртүрлі маркадағы электротехникалық болаттар пайдаланылады, олардың цифрлары келесідей жағдайларды білдіреді: бірінші цифр құрылысының қалпы мен прокаттың түрі бойынша класын кӛрсетеді; екінші – кремнидің шамаланған мӛлшерін; үшінші – негізгі нормаланған сипаттама (меншікті магнит шығындары) бойынша топты;
тӛртінші – болат типінің реттік нӛмерін кӛрсетеді.
Магнит ӛткізгіштігіндегі болаттағы шығындар құйын тогы мен гистерезис (болаттың қайта магниттелуі) шығындарының қосындысы болады.
Құйын тогының шығындарын азайту үшін трансформаторлар мен электр машиналардың магниттік ӛткізгіштерін бір-бірінен оқшауламаланған жеке пластиналардан жасайды. Оқшауламалық қабатшалар құйын тогына ӛте үлкен кедергі кӛрсетіп, токтардың кішкене бӛліктерде әсер ету ӛрісін шектейді және осылай электр энергиясының шығындарын айтарлықтай азайтады. Бұдан басқа, құйын тогына кететін шығындарды азайту үшін магнит ӛткізгіштігін жоғары-қоспалы болаттан құрастырады, оның меншікті электрлік кедергісі әдеттегі болаттан айтарлықтай кӛп болады.
Анизотропты суық жаймаланған болат ыстық жаймаланғаннан аз шығындармен ғана емес, сондай-ақ жоғары магниттік ӛткізгіштігімен ерекшелінеді, оның шамасы магниттік сызықтардың бағытына байланысты болады. Прокаттың (бойымен) бағыты бойынша суық жаймаланған болаттың магнит ӛткізгіштігі кӛп, прокаттың бағытына перпендикуляр бағытта магнит ӛткізгіштігі, ыстық жаймаланған болаттың магнит ӛткізгіштігінен аз болады.
Сондықтан электр машиналары мен трансформаторлардың магнит ӛткізгіштерін, олардың магнит ағыны болат табақтар мен ленталар прокаты
10
бағыты бойымен тұйықталатындай етіп орындауға ұмтылады. Магниттік ӛткізгіштігі ӛте жоғары болатын болатты пайдалану магниттік индукцияны ӛсіруге және магнит ӛткізгіштігінің қимасы мен оның массасын азайтуға мүмкіндік береді.
Магниттік қасиеттері прокаттың бағыты мен де, сондай-ақ перпендикуляр бағытта да жоғары болатын изотропты суық жаймаланған болаттар пайда болды.
Оқшауламалық материалдар. Бұл – электр машиналарының және трансформаторлардың негізгі элементтерінің бірі, себебі олардың жұмысының сенімділігі кӛптеген жағдайда оқшауламаның сапасына байланысты болады. Оқшаулама температура айтарлықтай ӛзгеріп тұрған кезде электр машинасын немесе трансформаторды пайдаланғанда олардың сенімді жұмыс істеуін қамтамасыз етуі керек. Қызуға беріктілігіне байланысты оқшауламалық материалдарды рұқсат етілген температураларының шегі бойынша келесідей кластарға бӛледі: класс Y - 90°С, класс А - 105°С, класс Е - 120°С, класс В - 130°С, класс F - 155°С, класс Н - 180°С, класс С - 180°С жоғары.
Электр машиналарының және трансформаторлардың орамаларының құрылысы олардың, қызуы оқшауламалардың кластарына сәйкес тағайындалған температурадан аспайтындай етіп жақсылап суытылуын қамтамасыз ету керек. Электр машиналарының немесе трансформаторлардың қалыпты жұмысы кезінде орамалардың оқшауламасы айнымалы электр ӛрісінің ұзақ мерзімде әсер етуіне, жұмыс жағдайына байланысты пайда болатын қысқа мерзімді асқын кернеуге, құрастыру барысында, жұмыс жағдайында және қысқаша тұйықталу кезінде оларда кездесетін механикалық әсерлерге тӛзімді болуы керек.
Құрылыстық материалдар. Оларды негізінен электр машиналарының және трансформаторлардың, механикалық әсерлерді беру және қабылдау үшін арналған бӛліктері мен бӛлшектерін дайындау үшін қолданады. Электр машиналарында шойын, болат, түрлі түсті металдар және олардың қоспалары мен пластмассалар қолданылады. Қазіргі кезде шойынды (қарапайым, соғылған) магниттік қасиеттері нашар болатындықтан магнитӛткізгіші үшін сирек қолданады, болатты (құйылған, соғылған) тұрақты ток машиналарының станинадағы магнитӛткізгіші, синхронды машиналардың роторлары және басқалар үшін пайдаланады.
2 Трансформаторлар 2.1 Номинал шамалар
Трансформаторларды физикалық құбылыстары ортақ болатындықтан, электр машиналарына жатқызады. Трансформаторлардың жұмыс істеу принципі тұйықталған болат магнитӛткізгішіне орналастырылған екі орама (немесе бірнеше) арасындағы ӛзара индукция құбылысына негізделген.
Трансформаторларды электр энергиясын алыс қашықтыққа беру және оны тұтынушылар арасында тарату кезінде, сондай-ақ ӛлшеуші, қорғаушы және басқа да әртүрлі түрлендіргіш құрылғыларда, автоматика, телемеханика жүйелерінде, байланыс құрылғыларында және техниканың басқа салаларында пайдаланады. Сонымен қатар әртүрлі арнайы трансформаторларда болады.
Трансформатор есептелген жұмыс шарттарын сипаттайтын шамалар, номинал шамалар деп аталады. Олардың негізгілері құжаттық қалқанда кӛрсетіледі.
Трансформатордың номинал пайдалы қуаты деп трансформатордың екінші реттік орамасының қыспақтарындағы толық қуатты SH атайды. Екі орамалы күштік трансформаторлар үшін номинал берілген қуат (бірінші реттік орамадағы) пайдалы номинал қуатқа (екінші реттік орамадағы) тең деп қабылданған.
Тармақтары болмайтын трансформатордың орамасындағы номинал кернеу деп, бос жүріс кезіндегі трансформатор орамасының қыспақтары арасындағы кернеуді UH атайды. Сонымен, жүктеме кезіндегі екінші реттік орамадағы кернеудің номиналдан аздап айырмашылығы болады. Ауыстырып қосылатын тармақтары бар орамаларда номинал кернеу негізгі тармақтағы болады.
Трансформатордың орамасындағы номинал ток IH номинал қуат пен номинал кернеуге сәйкес келеді.
2.2 Трансформатордың құрылысы
Трансформатор негізгі екі бӛліктен тұрады: магнитӛткізгішінен және екі орамадан немесе бірнеше орамадан, кірмелерден, бактен және т.б. (2.1 сурет).
Магнитӛткізгіштігі. Магнит ӛткізгішінің негізгі міндеті – трансформатордың орамалары арасында олар оған тұрақты орналасқан кезде мүмкіндігінше максимал байланысты қамтамасыз ету. Ол, оқтаушалардан және мойнтұрғыдан тұратын, оларды ӛзара қосатын болат ӛзекше.
Трансформатор құйын тогын азайту үшін қалыңдығы 0.35 немесе 0.5мм болатын, электротехникалық болат табақшалардан құрастырылған магнитӛткізгішінен және екі немесе бірнеше орамалардан, кірмелерден, бактен тұрады. Трансформаторлардың магнит ӛткізгіші әдетте салқындай иленген болаттан жасалады, олардың прокат бойындағы магниттік қасиеттері (магниттік ӛтімділігі), ыстық иленген болаттан жоғары болады.
Магнитӛткізгішінің және орамалардың құрылысына байланысты трансформаторлар магниттік жүйелері байланысқан (симметриялы емес және симметриялы) және байланыспаған (топталған) оқтаушалы және сауытты болып бӛлінеді. Ең кӛп таралғаны оқтаушалары бір жазықтықта орналасқан, магниттік жүйелері байланысқан симметриялы емес – үш оқтаушалы магнитӛткізгіші.
12
1 – дӛңгелектер; 2 – майды түсіру краны; 3 – оқшаулай цилиндрі; 4 – жоғарғы кернеу орамасы; 5 - тӛменгі кернеу орамасы; 6 – ӛзекше; 7 - термометр, 8 - тӛменгі кернеушықпалары; 9 - жоғарғы кернеу шықпалары; 10 – газдық реле;
11 – майдың кеңейткіші; 12 – майдың деңгейін кӛрсеткіштері; 13 - суытушы трубалар.
2.1 сурет – Үш фазалы трансформатор
Трансформатордың орамалары. Трансформатордың орамалары кернеуді (электр қозғаушы күшін - ЭҚК) трансформациялау үрдісін қамтамасыз етуге арналған, олардың араларында электрлік байланыс болмайды. Олардың минимал саны екеу.
Трансформаторлардың орамалары қимасы дӛңгелек немесе тікбұрышты болатын оқшауланған ӛткізгіштердің цилиндр тәріздес орауыштарынан жасалады. Олардың орамдар саны әртүрлі болуы керек. Орамдар саны кӛп болатын ораманы жоғары кернеу (ЖК) орамасы деп, ал орамдар саны аз болатын ораманы тӛменгі кернеу (ТК) орамасы деп атайды. Жоғары кернеу орамасының орамдар санын W1 арқылы, ал тӛменгі кернеу орамасының орамдар санын W2 арқылы белгілейді.
Тӛменгі кернеу орамасы ӛзекшеге жақын, ал жоғары кернеу орамасы тӛменгі кернеу орамасын жабып, оның сыртында орналасады. Орамаларды бұлай орналастыру, оқтауша мен орама арасындағы ӛқшаулама тӛсеуінің қалыңдығын азайту мақсатымен әдейі қабылданған.
Орамалардың шықпалары латын әріптерімен таңбаланады. Бір фазалы трансформатордың жоғары кернеу орамасының басы мен соңы А және Х бас әріптермен белгіленеді. Тӛменгі кернеу орамасын таңбалау үшін кіші әріптер қолданылады: а- басы және х – оның соңы. Үш фазалы трансформаторда орамалардың минимал саны – алтау және оларды таңбалау үшін латын алфавитінің алты үлкен әріптерін A - X; B - Y; C - Z және алты кіші әріптерін a - x; b - y; c - z, үш фазаның жоғары және тӛменгі кернеу орамалары үшін пайдаланады.
Суыту және оқшаулау жағдайын жақсартуды қамтамасыз ету үшін, магнитӛткізгішін орамаларымен бірге трансформаторлық маймен толтырылған арнайы бактің ішіне орналастырады. Мұндай трансформаторлар майлы (маймен суытылатын), қалғандары құрғақ (ауамен суытылатын) деп аталады.
2.3 Трансформатордың жұмыс істеу принципі
Трансформатордың жұмыс істеу принципі электрмагниттік индукция құбылысына негізделген.
а) топталған; б) оқтаушалық.
2.2 сурет – Магнит тізбегі тәуелсіз және тармақталған үш фазалы трансформатордың құрылысы
2.3 сурет - Бiр фазалы трансформатордың сұлбасы
~ U1 ~ U2
Фm
i1 i2
Фs2
Фs1
W1 W2 Фm
Zж
14
Магнит ӛткізгішінің негізгі айнымалы магнит ағыны Фm магнит ӛткізгішінде тұйықталып, екі орамамен де (бірінші реттік және екінші реттік) ілігіп оларда ЭҚК индукциялайды:
dt dΨm dt
dФm W1
е1 ;
dt dΨm dt
dФm W2
е2 . (2.1) Фm=Фm mах Sint.
2.1 – ге магнит ағынының мәнін қойып және дифференциалдап аламыз:
e1= -W1ФmmахCost=-W1ФmmахSin(t-‘2);
e2= -W2ФmmахCost= -W2 ФmmахSin(t-‘2). (2.2) 2.2 – ден байқайтынымыз, магнит ағынының векторы ЭҚК векторынан 90° алда болады екен.
ЭҚК максимал мәні:
Е1m=W1Фmmах және Е2m=W2Фmmах.
E1m мен E2m – ні 2 бӛліп және =2f қойып ЭҚК әсер етуші мәнін аламыз
Е1=4,44fW1Фmmах және Е2=4,44fW2Фmmах. (2.3) Трансформациялық коэффициент:
W2 W1 E2
E1
К . (2.4) Бірінші реттік ораманы айнымалы ток кӛзіне қосқан кезде осы ораманың тармақтарында i1 айнымалы ток жүреді, оның магнит қозғаушы күші F1= I1W1 магнитӛткізгішінде айнымалы магнит ағыны Ф1 мен сейілу ағынын Ф1 тудырады.
F1= i1W1 мен F2=i2W2 магнит қозғаушы күштері Ф1 және Ф2 сейілу ағындарын тудырады, олар ӛз кезегінде орамаларда еS1 және еS2 ЭҚК индукциялайды.
Жоғарыда айтылғандардың барлығын ескере отырып, бірінші реттік және екінші реттік орамалар үшін трансформатордың теңдеуін жазуға болады.
Кирхгофтың екінші заңы бойынша:
; R i e
e
u
1
1
1S
1 1 (2.5)u
2 e
2 e
2S i
2R
2,
мұнда R1 және R2 – бірінші және екінші реттік орамалардың активті кедергілері.
Магнит ағынын Фm тудыру үшін магнит қозғаушы күші imW1 керек:
i1W1= imW1.
Трансформатордың магниттік тепе-теңдігінің теңдеуі.
Бос жүріс кезінде, екінші реттік орама ажыратулы тұрғанда (i2=0), бірінші реттік орама бойымен бос жүріс тогы i1= i0 жүреді, оның магнит қозғаушы күші F0= i0W1 магнит ӛткізгішінде айнымалы магнит ағынын Ф1
тудырады.
Екінші реттік орамаға жүктеме қосқан кезде онда магнит қозғаушы күші i2W2 пайда болады. Ол тудырған Ф2 магнит ағыны, Ленц заңы бойынша екінші реттік орамада ЭҚК пайда болуын тудыратын себепке қарсы магниттік әсер етеді. Бұл себеп, ол негізгі магнит ағыны Ф1, сондықтан екінші реттік орамадағы i2W2 МҚК негізгі Ф1 ағынға қарсы бағытталатын Ф2 тудырады, яғни онымен қарама-қарсы фазада болатын және бұл ағынды азайтуға ұмтылатын. Онда e1 ЭҚК азаяды және желінің кернеуі - u1 ӛзгермейтіндіктен
const e
u1 1 тепе-теңдігі бұзылады (трансформаторларда eS1 мен i1r1 ӛте аз болады және қарастырып отырған жағдайда оларды ескермеуге болады).
Тепе-теңдік қалпына келу үшін бірінші реттік желіден қосымша ток тұтынылады, бұл кезде негізгі магнит ағыны Ф1 мен e1 ЭҚК – де ӛседі.
const e
u1 1 тепе-теңдігі қалпына келеді. Сондықтан жүктеме кезіндегі қосынды магнит ағыны Ф𝑚 = Ф1 +Ф2 іс жүзінде бос жүріс ағынына тең болады, сол себептен i0= im деп есептеуге болады.
Магниттік тепе-теңдік теңдеуі:
i1W1 + i2W2= imW1, (2.6) мұнда i0W1 – негізгі магнит ағынын тудыратын магнит қозғаушы күші;
i2W2 – бірінші реттік МҚК жүктемелік құрамы.
Егер теңдеуге кіретін барлық шамаларды синусоидалы деп есептесек, онда лездік мәндерден кешендік мәндерге ӛтуге болады:
U1=-Ė1- ĖS1+R1 İ1; U2= Ė2+ ĖS2-R2İ2;
2 2 1 1 1
0W IW I W
I
немесе (2.7) U1= -Ė1+jX1İ1+R1 İ 1= -Ė 1+Z1 İ1,
U2= Ė 2-jX2 İ2 - R2İ 2 = Ė2-Z2İ2; . W W
W I I
I0 1 1 1 2 2
16 мұнда 𝐸 𝑆1 = −𝑗𝐼 1𝑋 1 и 𝐸 𝑠2 = −𝑗𝐼 2𝑋 2 ;
X1 және X2 – бірінші және екінші реттік орамалардың индуктивті сейілу кедергілері;
Z1 және Z2 – бірінші және екінші реттік орамалардың толық кедергілері.
2.4 Келтірілген трансформатор
Жалпы жағдайда трансформатордың бірінші реттік орамасының параметрлері екінші реттік ораманың параметрлерінен айырмашылықта болады, әсіресе трансформациялық коэффициент үлкен болған кезде, ол талдауды, есептеуді және орынбасу сұлбасы мен векторлық диаграммаларды тұрғызуды қиындатады. Аталған қиындықтар трансформатордың барлық параметрлерін бірдей орамдар санына келтірумен жойылады. Әдетте екінші реттік ораманы біріншіге W1W2’
келтіреді.
Бірінші реттік параметрлерді келтірген кезде энергетикалық кӛрсеткіштері нақты трансформатордікіндей болып қалуы керек, атап айтсақ:
келтірілген трансформатордың екінші реттік орамасындағы және нақты трансформатордағы барлық қуаттар, шығындар және фазалық ығысулар тең болуы керек:
а) келтірілген ЭҚК:
; КE E
E2/ 2 1 (2.8) б) келтірілген трансформатордың тогы I2/ нақты және келтірілген трансформаторлардың электрмагниттік қуаттарының тең болу шарты бойынша анықталады:
𝐸2 ∙ 𝐼2 = 𝐸2’ ∙ 𝐼2’, мұндағы 𝐼2’ = 𝐼2𝑊2
𝑊1 = I2
𝐾 ; (2.9)
в) келтірілген трансформатордың активті кедергісі r2/ нақты және келтірілген трансформаторлардың активті кедергілеріндегі шығындардың тең болу шарты бойынша анықталады:
𝐼2’ 2𝑟2’ = 𝐼2 2𝑟2,
мұнда 𝑟2’ = 𝑘2𝑟2;
г) келтірілген трансформатордың индуктивті сейілу кедергісі X2
’ нақты және келтірілген трансформаторлардың реактивті қуаттарының тең болу шарты бойынша анықталады:
𝐼2’ 2𝑥2’ = 𝐼2 2𝑥2 мұнда 𝑥2’ = 𝑘2𝑥2; д) келтірілген трансформатордың толық кедергісі:
𝑍2’ = 𝑘2𝑍2. Келтірілген трансформатордың теңдеулері
Магниттік тепе-теңдік теңдеуі келесідей жолмен түрлендірілген:
1 2 2 1
1 1 1
1 m
W W I W
W I W
W
I
,
мұнда I0 I1I2/ немесе
).
( 2/
1 Im I
I (2.11) 2.5 Трансформатордың орынбасу сұлбасы және векторлық диаграммасы
2.5.1 Трансформатордың орынбасу сұлбасы.
Трансформаторда бірінші және екінші реттік орамалар арасындағы байланыс негізгі магнит ағыны бойынша іске асырылады. Бұл трансформатордың жұмысын талдауды қиындатады. Электрмагниттік үрдістерді зерттеуді жеңілдету үшін орамалар арасындағы магниттік байланыс электрлік байланыспен ауыстырылады. Ол үшін келтірілген трансформатордың электрлік сұлбасы қолданылады
2.3 а суретте келтірілген трансформатордың балама сұлбасы кӛрсетілген, онда R мен X кедергілер шартты түрде ӛздеріне сәйкес орамалардан шығарылып, оларға тізбектеп қосылған. Келтірілген трансформаторда К=1, демек Е2= Е2’, сондықтан А мен а, сондай-ақ X пен x жалғауға болады және бұл кезде Т-тәріздес орынбасу сұлбасы алынады.
Магниттеуші тармақтың Zm=Rm+jXm параметрлері İm токпен анықталады, кедергі R0 магниттік шығындармен пайда болған жалған кедергі деп аталады.
U1= -Ė1+jX1İ1+R1 İ 1= -Ė 1+Z1 İ1; U2/ = Ė 2’
-jX2’İ2’
- R2’İ’2 = Ė2’
-Z2’İ2’
; İ 1 = İm+(- İ 2’
).
(2.10)
18
Мұндағы R1 және R2 біріншілік және келтірілген орамалар. R2
’ - екіншілік ораманың активті кедергісі; X1 – біріншілік ораманың индуктивті шашырау кедергісі; Х2’
- екіншілік ораманың келтірілген индуктивті кедергісі.
Rm – магнитӛткізгіштердегі шығынға пропроционал болатын магниттеуші тармақтардағы шығындардың балама активті кедергісі. Xm - Орынбасу сұлбасының жүктеме кедергісін Z’Ж ӛзгертіп трансформатордың барлық жұмыс режимдерін алуға болады. Фm – негізгі ағынға пропорционал индуктивті кедергі.
2.5.2 Трансформатордың орынбасу сұлбасының параметрлерін және шығындарын тәжірибемен анықтау.
Алынған электрлік орынбасу сұлба (2.3, б сурет) трансформаторлардың қасиеттерін кез келген режимде жеткілікті дәлдікпен зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл сұлбаны сипаттамаларды анықтау кезінде қуаты 50 кВт трансформаторлар үшін пайдаланудың практикалық ӛте үлкен мәні бар. Ал одан үлкен болған кезде, ондай трансформаторларды тікелей жүктеме қосу әдісімен зерттеу кейбір қиындықтармен байланысты болады: электр энергиясының ӛнімсіз шығыны, үлкен және қымбат тұратын жүктемелік құрылғының қажеттілігі.
Орынбасу сұлбасының параметрлерін анықтау 1 R1 jХ1; jm
Rm m
; 2 R2 jX2 немесе есептеу жолымен (трансформаторды есептеу үрдісінде), немесе тәжірибе жолымен іске асырылуы мүмкін. Тӛменде трансформатордың орынбасу сұлбасының параметрлерін тәжірибе жолымен анықтау реті баяндалады, оның мәні бос жүріс тәжірибесін және қысқаша тұйықтау тәжірибесін жүргізуде болып табылады.
2.6 Бос жүріс тәжірибесі
Үш фазалы (т=3) екі орамалы трансформаторларға бос жүріс тәжірибесін жүргізуге арналған сұлба 2.4 суретте келтірілген.
Трансформатордың бірінші реттік орамасы синусоидалы кернеуге а) балама сұлба; б) орынбасу сұлбасы.
2.3 сурет - Трансформатордың орынбасу сұлбасы
қосылады, ал екінші реттік орама ажыратулы. Онда ZН=, І2=0. Бұл жағдайда трансформатордың теңдеуі келесі түрде жазылады:
Бірінші реттік кернеу U10, ток І1=І0 және қуат РО=P1, сондай-ақ екінші реттік кернеу U2 ӛлшенеді.
Үш фазалы трансформатор үшін үш амперметрдің және вольтметрлердің кӛрсетуі бойынша желілік токтың І01 желілік кернеудің U10 орташа мәндері анықталады – үш фазаның бос жүріс қуаты Ро = Р' + Р".
Тәжірибе мәліметтері бойынша трансформатордың бос жүріс кезіндегі толық активті, индуктивті кедергілері, қуат коэффициенті мен трансформациялық коэффициенті және болаттағы шығын анықталады.
а) үш фазалы трансформатордың трансформациялық коэффициенті фазалық кернеулер бойынша немесе желілік кернеулер бойынша есептелуі мүмкін
(2.13) б) магнит тізбегінің параметрлері.
Үш фазалы орамалар үшін есептелген кедергілердің ғана физикалық мағынасы болады. Сондықтан орамаларды жалғау сұлбасына назар аудару керек.
Бірінші реттік ораманы жұлдызша жалғаған жағдайда:
(2.14) U1= -Ė1+jX1İ0+R1İ 0= -Ė 1+Z1İ0;
U2/ = Ė 2’; İ 1 = İ 0.
(2.12)
U ; K U
2 1 2 1
W
W
; R Z X
I ; 3 R P I ;
3
Z0 U0Л 0 02 0 02
2.4 сурет – Үш фазалы трансформатордың бос жүріс параметрлерін анықтауға арналған эксперименттік сұлба
