Литература. Основная Брускин, Д.Э. Электрические машины / Д.Э. Брускин, А.Е

Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. – М. : Высшая школа,

1987.
Александров, Н.Н. Электрические машины и микромашины / Н.Н. Александров. – М. : Колос, 1983.
3. Андрианов, В.Н. Электрические машины и аппараты / В.Н. Андрианов. – М. : Колос, 1971.
4. Костенко, М.П. Электрические машины / М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. – Ленинград: Энергия, 1973.
Вольдек, А.И. Электрические машины / А.И. Вольдек. – Ленинград: Энергия, 1978.
Дополнительная
Кацман, М.М. Электрические машины / М.М. Кацман. – М. : Высшая школа, 1990.
Николаев, С.А. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам / С.А. Николаев. – М. : Энергия, 1969.
Токарев, Б.Ф. Электрические машины / Б.Ф. Токарев. – М. : Энергоатомиздат, 1989.
Подгайский, Г.Д. Электрические машины / Г.Д. Подгайский, Н.Е. Шевчик. – Мн. : Белорусская энциклопедия им. Петруся Бровки, 2009.

Классификация электрических машин
3. Номинальные данные и режимы работы электрических машин
4.

Конструктивные формы электрических машин

ТРАНСФОРМАТОРЫ
Классификация и области применения трансформаторов
Устройство трансформатора
а) магнитная система
б) Обмотки
в) Конструктивные части трансформатора
3. Принцип действия трансформатора

просто преобразуется в механическую или тепловую энергию и удобно передается

на большие расстояния
К электрическим машинам относятся:
1. Генераторы — преобразователи механической энергии в электрическую.
2. Электродвигатели — способны совершать механическую работу —широко применяются в промышленности, на транспорте, в сельскохозяйственном производстве, в военном деле, в бытовых электроприборах.
3. Трансформаторы — повышают напряжение в начале электропередачи у генератора на электростанции и понижают напряжение до требуемого значения у потребителей, что уменьшает потери энергии в линии электропередачи.
Электрические машины малой мощности - в системах автоматического регулирования и управления.
Специальные электрические машины - в целом ряде электротехнических устройств, в импульсной технике, в электротехнологических установках, в радиосвязи и т. д.
Большинство электрических машин объединено в серии однотипных машин различной мощности с параметрами и характеристиками, подчиняющимися определенным закономерностям.

- машины малой мощности (от 0,5 до 10 кВт);
-

средней мощности (от 10 кВт до сотен кВт);
- большой мощности (от сотен кВт до нескольких сотен МВт).

По напряжению:

- низковольтные (менее 100 В);
- среднего напряжения (от 100 до 1000 В);
- высоковольтные (более 1000 В).

Машины общего назначения - изготавливаются без учета специальных требований потребителей для большинства случаев применения, машины специального назначения— с учетом специальных требований потребителей.

электрической машины (определяется заводом-изготовителем) - работа в определенных условиях с

определенными значениями ее параметров.
Номинальные параметры - количественные значения параметров машины в номинальном режиме (номинальная мощность, номинальное напряжение, номинальный ток, номинальный режим работы, номинальный КПД, номинальная частота вращения и другие) указываются на специальном щитке машины.
Нормальный режим - режим с не номинальными параметрами, не приводящий к снижению надежности машины при длительной работе.
Установившийся режим - параметры длительно сохраняются неизменными
Переходный - параметры изменяются во времени.
Основные режимы - номинальный и нормальный. Обычно они являются установившимися, хотя могут быть и переходными
ГОСТ 183 предусматривает восемь видов номинальных режимов работы S1—S8.

с постоянной нагрузкой, и нагрев обмоток достигает установившейся температуры (рис.

2,а).
S2 — кратковременный режим - включается на короткое время, нагрев не успевает достигнуть установившейся температуры. Затем - отключается на длительное время для охлаждения до температуры окружающей среды (рис. 2,б).
S3,S4,S5 — повторно-кратковременные режимы. Нагрев не успевает достигнуть установившейся температуры, но и не охлаждается до температуры окружающей среды. S4 — с частыми пусками, S5 — с электрическим торможением (рис. 2,в).
S6,S7,S8 — перемежающиеся режимы. То же самое, что и повторно-кратковременные, только двигатель не отключается, а работает вхолостую.

Рисунок 2

способа охлаждения.

Степень защиты от внешних воздействий на паспортной табличке

обозначается(ГОСТ 14254) : IP(0-6)(0-8) – (International Protection + две цифры)

I-я — степень защиты от посторонних предметов:
0 — нет защиты;
1,2,3, 4 — защита от предметов соответственно размерами больше 52.5, 12.5, 2.5 и 1 мм,
5,6 — защита от пыли.

II-я — степень защиты от влаги:
0 — нет защиты;
1 — защита от дождя сверху;
2, 3 — защита от дождя, падающего под углом соответственно 15 и 60 град.;
4 — защита от брызг;
5 — защита от струй со всех сторон;
6,7,8 — защита от волн или при погружении в воду.
Наиболее распространены IP22, IP23; IP44

(вид хладоагента) + две цифры) - при охлаждении воздухом буква

опускается.
I-я — устройство цепи для циркуляции хладоагента:
0 — свободная циркуляция;
1 — охлаждение с помощью подводящей трубы;
3 — охлаждение с помощью подводящей и отводящей труб
4 — охлаждение с помощью наружной поверхности машины;
5 — охлаждение с помощью встроенного охладителя;
6 — охлаждение с помощью пристроенного охладителя.
II-я — способ перемещения хладоагента:
0 — свободная конвекция;
1 — самовентиляция;
3 — перемещение хладоагента с помощью пристроенного зависимого устройства;
5 — перемещение хладоагента с помощью встроенного независимого устройства;
6 — перемещение хладоагента с помощью пристроенного независимого устройства;
7 — перемещение хладоагента с помощью отдельного и независимого устройства.

четыре цифры).
I-я — группа конструктивного исполнения
1

— на лапах с одним или двумя подшипниковыми щитами ;
2 — то же, с фланцем на подшипниковом щите (или щитах);
3 — машину без лап с одним или двумя подшипниковыми щитами, с фланцем на одном подшипниковом щите и т. д.).
II-я и III-я — способ монтажа.
IV-я — исполнение вала .
1 — с одним цилиндрическим концом вала;
2 — то же, с двумя цилиндрическими концами вала и т. д.
Наиболее распространены:
IM1001 — машина с двумя подшипниковыми щитами на лапах, с одним горизонтально направленным цилиндрическим концом вала;
IM1011 — то же, с вертикально направленным вниз одним цилиндрическим концом вала;
IM3011 — машина с двумя подшипниковыми щитами без лап, с фланцем на одном подшипниковом щите, с вертикально направленным вниз одним цилиндрическим концом вала.

— машины для районов с умеренным климатом;
б) ХЛ

— с холодным климатом;
в) Т — с тропическим климатом;
г) М — морского исполнения;
д) О — общеклиматическое исполнение.

2. категорией размещения машин (ГОСТ15543).
- обозначается цифрой, которая следует за буквенным обозначением климатического исполнения. Например У1.

Установочные и присоединительные размеры (длины сердечника, установочные размеры по длине станины) привязаны к высоте h от оси вращения до опорной плоскости машины согласно ГОСТ13267.

электромагнитное устройство, имеющее две или большее количество индуктивно связанных обмоток

и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока, имеющую другие характеристики.
Трансформаторы классифицируют:
По назначению –
силовые трансформаторы общего назначения - в системах передачи и распределения электроэнергии
специального назначения
специальные силовые трансформаторы (печные, выпрямительные, сварочные),
автотрансформаторы,
измерительные и испытательные трансформаторы,
трансформаторы для преобразования числа фаз, формы кривой ЭДС, частоты и другие.

и масляным (масляные трансформаторы).
3. По числу фаз – однофазные,

трёхфазные, многофазные.
4. По конфигурации магнитопровода – стержневые, броневые, тороидальные.
5. По количеству обмоток на фазу – двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные (более трёх обмоток).
6. По конструкции обмоток – с концентрическими и чередующимися (дисковыми) обмотками.

Основной тип — двухобмоточный силовой трансформатор.

автотрансформаторы мощностью от нескольких кВА до нескольких сотен МВА -

в системах передачи и распределения электрической энергии.

Рисунок 1

трансформаторы), выпрямительных установок, электросварки (сварочные трансформаторы).
3. Измерительные трансформаторы тока

и напряжения - для включения электроизмерительных приборов и аппаратов в электрические цепи высокого напряжения или в цепи с большими токами для расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности.
4. Испытательные трансформаторы – для производства испытаний под высоким напряжением.
5. Специальные трансформаторы небольшой мощности - для питания цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов.

между собой обмоток с изоляцией - размещены на замкнутом магнитопроводе.

Магнитопровод с обмотками - активная часть трансформатора.
Вспомогательные элементы:
-корпус или герметичный бак,
-вводы с изоляторами,
-устройство регулирования напряжения,
-система охлаждения,
-измерительные и защитные устройства,
-крепежные элементы.
а) Магнитная система.
Магнитопровод со всеми узлами и деталями крепления - остов трансформатора - конструктивная и механическая его основа.
Служит контуром для прохождения основного магнитного потока. Выполняется из ферромагнитных материалов - уменьшают магнитное сопротивление, усиливают электромагнитную связь между обмотками.

а), броневые (рисунок 2, б) и тороидальные (рисунок 2, в).
1

- ярмо; 2 – стержень; 3 – обмотка; 4 – тороидальный магнитопровод
стержень -часть магнитопровода, на которой размещают обмотки, ярмо - часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют.
Рисунок 2

Трансформаторы большой и средней мощности, часть маломощных трансформаторов - стержневые. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.
Магнитная система симметричная - все стержни имеют одинаковую форму, конструкцию, размеры и взаимное расположение по отношению к ярмам.

всех стержней и ярм в одной плоскости
1 - стержень; 2

– ярмо; 3 – обмотка;
Рисунок 3

магнитные системы - меньше масса активной стали и потери холостого

хода по сравнению с плоской системой.

Рисунок 4

высоты трансформатора для удобства транспортировки применяются пятистержневые магнитопроводы (рисунок 5).

Рисунок

5

Трансформаторы малой мощности и микротрансформаторы - броневые или тороидальные. Преимущество тороидальных трансформаторов – отсутствие в магнитной системе воздушных зазоров, что уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода.

D0 (рисунок 6). Количество ступеней (от 3 до 10) увеличивается

с возрастанием мощности. Прямоугольное сечение стержней - в трансформаторах небольшой мощности и в некоторых броневых трансформаторах.

Рисунок 6

В трансформаторах большой мощности (D0 больше 350 мм) для улучшения охлаждения магнитопровод выполняют из отдельных пакетов, отделенных друг от друга продольными каналами шириной 6-12 мм. Если D0 больше 800 мм, то дополнительно устраивают еще поперечные каналы шириной 10-12 мм.

Ш- и О-образной формы (рисунок 7, а, б, в). А

также выполняют из узкой ленты электротехнической стали или из специальных железоникелевых сплавов (рисунок 7 г, д, е, ж).

Рисунок 7

Монолитность ленточного магнитопровода обеспечивается применением клеющих лаков и эмалей.

удельными потерями при повышенной частоте, а также из железоникелевых сплавов

типа пермаллой – для трансформаторов, работающих на частоте до 400-500 Гц .

б) прессуют из порошковых материалов (магнитодиэлектриков и ферритов) – частоты более10-20 кГц

в) из аморфных сплавов (например, железо - 78%, бор 13% и кремний 9% ) - меньше удельные магнитные потери, выше магнитная проницаемость и индукция насыщения при работе на высоких частотах, отличаются большей устойчивостью к коррозии, большей механической прочностью - в магнитопроводах силовых и измерительных трансформаторов напряжения и тока.

к вторичной - нагрузку. Их располагают как можно ближе друг

к другу и к магнитопроводу - для улучшения магнитной связи.
Изготавливают из изолированного обмоточного провода круглого или прямоугольного сечения.
Алюминиевый провод - в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16000 кВ•А.
Медный провод - в трансформаторах больших мощностей и в трансформаторах специального назначения.
Виток - основной элемент обмотки.
Слой - ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности.
Катушка - конструктивно объединенная и отделенная группа последовательно соединенных витков - состоит из одного или нескольких слоев. Число витков в катушке может быть как целым, так и дробным.

б) Обмотки.

заземленных частей трансформатора - создается путем сочетания изоляционных деталей из

твердых диэлектриков, с воздушными или заполненными трансформаторным маслом изоляционными промежутками.
Изоляция между различными точками одной обмотки - продольная и включает в себя изоляцию между витками, слоями обмотки, катушками.
Изоляция между витками обеспечивается изоляцией обмоточного провода.
Для межслойной изоляции - кабельная бумага, уложенная в несколько слоев.
Изоляция между катушками - радиальными каналами охлаждения.

По способу расположения на стержне обмотки трансформаторов подразделяются на концентрические и чередующиеся.

низшего напряжения (НН) попеременно следуют друг за другом по высоте

стержня (рисунок 8, б) – в броневых трансформаторах.
Преимущество - меньше рассеяние магнитного поля. Недостаток - сложнее изоляция из-за большого количества промежутков между отдельными катушками ВН и НН, менее устойчивы в отношении короткого замыкания.
а) б)

Рисунок 8

Концентрические обмотки, в которых катушки ВН и НН выполняются в виде полых цилиндров одинаковой высоты и располагаются на стержне одна внутри другой (рисунок 8, а), применяются в стержневых трансформаторах. Ближе к стержню - обмотка низкого напряжения

другу. Выполняются однослойными (рисунок 9, а), двухслойными (рисунок 9, б)

(в качестве обмотки НН при номинальных токах до 800 А) и многослойными (в качестве обмотки ВН при номинальных напряжениях не более 35 кВ). Для улучшения охлаждения между слоями могут быть каналы охлаждения шириной 5-8 мм. Если сечение витка не превышает 8-10 мм2, то цилиндрическая обмотка выполняется многослойной проводом круглого сечения. При больших сечениях - однослойной или двуслойной проводом прямоугольного сечения, навитого плашмя или на ребро. Если сечение витка превышает 40-45 мм2, то виток выполняется несколькими параллельно проложенными проводами.

Концентрические обмотки по характеру намотки подразделяются на цилиндрические, винтовые, спиральные.

Рисунок 9

линии, но между соседними по высоте витками оставляется канал шириной

4,5-6 мм (рисунок 10, а). Для экономии места по высоте стержня каналы могут быть выполнены через один виток (рисунок 10, б). Виток винтовой обмотки выполняется из нескольких (от 6 до 20) параллельных проводов прямоугольного сечения, расположенных плашмя друг к другу в радиальном направлении.

Рисунок 10

а)

Винтовые обмотки имеют большую механическую прочность, чем цилиндрические, и применяются в качестве обмоток НН в мощных трансформаторах (при токах более 300 А).

б)

и соединенных последовательно катушек, намотанных по плоской спирали, с радиальными

каналами охлаждения между всеми или частью катушек (рисунок 11). Катушки соединяются между собой без пайки путем особого способа перекладки проводов. Поэтому такие обмотки называют непрерывными. Они выполняются из обмоточного провода прямоугольного сечения и применяются в качестве обмоток ВН и НН в трансформаторах высокого напряжения (от 35 кВ и выше).

По назначению обмотки трансформаторов могут быть:
1). Основные — к которым подводится и от которых отводится энергия преобразованного переменного тока.
2). Регулирующие — с отводами для регулирования коэффициента трансформации.
3). Вспомогательные — для питания сети собственных нужд, для компенсации третьей гармонической магнитного поля, подмагничивания магнитной системы постоянным током, и другие.

Рисунок 11

выполняться сухими с естественным или искусственным воздушным охлаждением и масляными.
Сухими

(охлаждающая среда - атмосферный воздух) - малой мощности, микротрансформаторы и некоторые силовые трансформаторы напряжением не более 10 кВ, предназначенные для взрыво- и пожароопасных электроустановок. Бывают открытого исполнения или в защитном кожухе.
Масляный - основной тип силовых трансформаторов. Остов с обмотками погружается в бак с трансформаторным маслом, которое является диэлектриком.
Преимущество - лучшая охлаждающая среда - позволяет увеличить электрические и магнитные нагрузки и уменьшить расход электротехнической стали и обмоточного провода. Недостаток масла – его горючесть.

видоизменяется.
а) малой мощности (до 20 кВА) - гладкие баки;
б)

большей мощности (до 3000 кВА ) - трубчатые баки, в стенки которых вваривают трубы диаметром около 50 мм, располагаемые в один-три ряда. Также применяются герметичные баки из гофрированного железа.
в) мощностью до 10000 кВА имеют пристроенные к стенкам бака радиаторы с естественным охлаждением,
г) мощностью от 10000 кВА - обдув радиаторов с помощью одного или двух вентиляторов мощностью 150-200 Вт, устанавливаемых на каждом радиаторе.
На крышке бака - вводы обмоток ВН и НН, маслорасширитель (в трансформаторах от 100 кВА), выхлопная труба для трансформаторов мощностью от 1000 кВА.

токоведущие стержни. Внутри бака к стержням присоединяются концы обмотки трансформатора,

а вне бака токоведущие части сети. При наружной установке трансформатора они снабжаются ребрами, при внутренней установке – выполняются гладкими.
Маслорасширитель - цилиндрический сосуд из листовой стали объемом 9-10 % от объема бака. Устанавливается над крышкой бака и соединяется с ним трубопроводом. Уровень масла в расширителе должен быть таким, чтобы при всех обстоятельствах бак был целиком заполнен маслом.
Газовое реле (между расширителем и баком) - сигнализирует о неполадке, отключает трансформатор от сети (аварийный режим).
Выхлопная труба - для защиты бака от повреждений (при коротком замыкании) вследствие образования в баке газов и резкого повышения давления. Она представляет собой стальной, наклонный цилиндр, сообщающийся с баком и закрытый сверху стеклянным диском. При определенном давлении диск выдавливается и газы вместе с маслом выбрасываются из бака наружу.
На крышке и стенках бака устанавливаются пробки и краны для заливки, спуска и отбора пробы масла.
Трансформаторы могут быть снабжены устройствами регулирования напряжения (ПБВ или РПН).

сети
2 – вторичная обмотка – нагрузка
3 – магнитопровод
u1 - переменное

напряжение
i1 – переменный ток - создаёт переменное магнитное поле с магнитодвижущей силой (МДС) i1W1.
Ф 1 и Ф 2 - потоки рассеяния
и - индуктивности рассеяния 1-ой и 2-ой обмоток

:

ев = -dФ1/dt.

≈P1 – мощность, потребляемая нагрузкой с сопротивлением R от трансформатора.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока.

Коэффициент трансформации:

В режиме холостого хода U2=E2 а U1≈ E1 . Тогда

W2>W1 (kT<1) - повышающий трансформатор
W21) - понижающий трансформатор

Мощности S1 на первичной и S2 на вторичной стороне практически одинаковы

S1 = m1U1I1 ≈ S2 = m1U2I2

Т.е., при уменьшении вторичного напряжения в kT раз по сравнению с первичным, ток во вторичной обмотке увеличится в kT раз и наоборот.
Трансформатор изменяет сопротивление подключенной к нему нагрузки R в kT 2 раз относительно цепи источника питания: