Методичні вказівки до 2.1

Науково-технічний прогрес значною мірою визначається застосуванням електричної енергії в різних виробничих процесах, у пристроях механізації й автоматизації праці і побуті людей, у лічильно-вирішальних і інформаційних системах. Ведуча роль у здійсненні електрифікації народного господарства належить ЕМ. Приступаючи до вивчення дисципліни, варто усвідомити основи класифікації ЕМ за родом струму, принципом дії, призначенням і т.п. Для вивчення ЕМ необхідні знання основних законів теорії електричних і магнітних кіл (закони Ома, Кирхгофа, електромагнітної індукції, Ампера й ін.). У курсі електричних машин розглядаються чотириполюсники, їхні рівняння, заступні схеми, векторні і кругові діаграми.

Вивчення загальних питань теорії ЕМ припускає відновлення і конкретизацію знань, отриманих раніше в курсах фізики, теоретичних основ електротехніки і т.д., і створення цілісного уявлення про електромеханічне перетворення енергії. Необхідно усвідомити загальний принцип дії ЕМ, що полягає в тому, що перетворення енергії в них відбувається у результаті явища електромагнітної індукції, а обертальний момент виникає унаслідок взаємодії провідника зі струмом із зовнішнім магнітним полем.

Вивчаючи різноманітні типи ЕМ, необхідно:

1) засвоїти загальне в конструкції усіх видів електричних машин і
функції, що виконує в робочому процесі кожна обмотка;

2) зрозуміти, як у результаті взаємодії магнітного поля і струму утвориться обертальний момент машини;

3) усвідомити принцип оборотності електричних машин.

2.2 Історичні етапи розвитку електричних машин

Вихідними положеннями для створення електричної машини послужили:

­ відкриття Ерстедом у 1820р. явища електромагнетизму;

­ відкриття Фарадеєм у 1822 р. електромагнітного обертання, тобто принципу перетворення електричної енергії в механічну;

­ створення в 1824 р. П.Барлі першої принципової моделі електродвигуна;

­ у 1831 р. М.Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, що лежить в основі роботи як генераторів, так і двигунів;

­ у 1838 і 1847 р.р. Э.Ленц і Б.Якобі сформулювали принцип оборотності електричних машин.

До 70-х років XIX сторіччя електричний генератор і електричний двигун розвивалися самостійно і тільки потім шляхи їхнього розвитку об'єдналися. Спочатку прискореними тентами йшов розвиток машин постійного струму.

Потім у зв'язку з потребами практики прискореними темпами розвиваються синхронні генератори перемінного струму, що застосовувалися спочатку головним чином для цілей освітлення. Їхнє однофазне виконання змушувало інженерів-електриків створювати однофазні двигуни перемінного струму (наприклад, репулъсівний двигун Э. Томсона, запропонований у 1886 р. та ін.).

Асинхронний двигун перемінного струму веде свій початок с 1888 р. У березні 1888 р. турінскій професор Ферраріс опублікував статті «Електродинамічне обертання, отримане за допомогою перемінних струмів», у якій описав явища обертового магнітного поля, отриманого за допомогою двох взаємно перпендикулярних котушок, що живляться двома перемінними струмами, зсунутими по фазі на 90⁰. Побудований ним двигун мав мідний циліндричний ротор. Ферраріс запропонував також для посилення магнітного потоку обмотку (рамки) поміщати в пази залізного кільця. Однак у цілому Феррарис не оцінив практичного значення зробленого їм відкриття (1885р.), тому що вважав що індукційні електродвигуни не зможуть мати КПД, вище 50%.

У 1887 р. Тесла також відкрив явище обертового магнітного поля і сконструював кілька індукційних багатофазних електродвигунів, як двофазних, так і трифазних.

Восени 1888р. М.О. Доливо-Доброволъский закінчив розробку асинхронного трифазного електродвигуна який був побудований у 1889 р. Таким чином, до кінця XIX сторіччя практично завершилося конструктивне оформлення електричних машин і подальший їхній розвиток пішов по шляху удосконалення.

Розглядаючи історичні етапи розвитку електричних машин і електромашинобудування у нашій країні варто виділити дореволюційний період і період після Великої Жовтневої Соціалістичної революції.

Електромашинобудівні заводи обмеженої потужності, що існували до соціалістичної революції в Петербурзі, Ревелеві, Ризі та ін. мали характер складальних майстерень, що працювали по директивах концесіонерів, і не являли собою підприємств, призначених для виконання самостійних задач [8, с.28-27]. Тому російські електротехніки не могли розгорнути творчої діяльності повною мірою.

2.3. Робочий процес однофазного трансформатора

Основні елементи конструкції трансформатора. Призначення магнітопроводу. Пояснити – для чого магнітопровід виконується із окремих листів електротехнічної сталі (рис. 2.1). Класифікація трансформаторів. Номінальні величини. Принцип дії трансформатора. Диференціальні і комплексні рівняння напруг однофазного трансформатора. Формула електрорушійної сили (ЕРС). Коефіцієнт трансформації. Рівняння магніторушійних сил (МРС). Форма кривої намагнічувального струму. Індуктивний опір трансформатора.

Рисунок 2.1 – Вихрові струми в магнітній системі трансформатора:

а – суцільний; б – шихтований із ізольованих пластин сталі

При вивченні трансформатора ми спочатку розглядаємо ідеальний трансформатор, який відрізняється від реального відсутністю опору обмоток і полів розсіяння. Таке припущення значно спрощує аналіз найбільш характерних фізичних процесів реального трансформатора. При розрахунках електричних кіл, в яких трансформатор є сполучною ланкою, зручно користуватися заступними схемами, в яких магнітний зв’язок між первинною і вторинною обмотками замінюється електричним зв’язком. Аналіз всього кола при цьому значно спрощується. І тут ми застосовуємо можливість замінити реальний трансформатор абстрактним, зведеним. Заступні схеми можуть бути різними, у тому числі і спрощеними, в залежності від того, які фізичні процеси у трансформаторі нас цікавлять [1].

Приведення вторинних величин до первинних (до первинної обмотки) на основі принципу інваріантості потужності. Векторна діаграма і Т -подібна заступна схема з урахуванням втрат у магнітопроводі трансформатора. Визначення параметрів заступної схеми за дослідами холостого ходу і короткого замикання. Векторна діаграма трансформатора при короткому замиканні; трикутник і напруга короткого замикання. Параметри і характеристики короткого замикання.

Робота трансформатора при навантаженні. Основні розрахункові формули. Векторна діаграма при активно-індуктивному характері навантаження. Спрощені векторні діаграми. Г -подібна заступна схема. Зміна напруги трансформатора при навантаженні. Зовнішня характеристика. Енергетична діаграма активної потужності трансформатора. Втрати і ККД трансформатора. Залежність ККД від навантаження. Умова одержання максимального ККД.

У розвитку трансформаторів можна виділити кілька характерних етапів:

1. 1830-1870 рр. Розробка принципів трансформації; створення індукційних приладів, які перетворюють імпульси постійного струму однієї напруги у імпульси другої напруги. Вперше принцип індуктивного зв’язку двох обмоток, які закріплені на сталевому магнітопроводі, демонструвався Фарадеєм у 1831 році (явище електромагнітної індукції). Це ж явище на півроку пізніше відкрив Генрі (незалежно від Фарадея).

2. 1870-1880 рр. Застосування індукційної котушки у мережі змінного струму, що привело до створення однофазного трансформатора з розімкненим магнітопроводом (1876 р., П.Н.Яблочков). Попередні винаходи (Поль, Румкорф) – не трансформатор, лише деякі елементи трансформатора без перетворення змінної напруги. Подальше удосконалення конструкції з розімкненим магнітопроводом (І.Ф.Усагін, 1882 р.; Л.Голяр і Е.Д.Гіббс,1882 р.).Перша конструкція трансформатора з розімкненим магнітопроводом була створена у 1884 р. в Англії братами Д. І Е.Гопкінсон. Промисловий тип однофазного трансформатора у декілька модифікаціях (кільцевий, броневий, стрижневий) був створений у 1885 р. угорськими електротехніками (Міклош Дері, Карой Ціперновський, О.Блаті) на заводі фірми Ганс і К^о у Будапешті. Ними ж був запропонований термін “трансформатор” і підкреслено значення замкнутого шихтованого магнітопровода. Спосіб паралельного вмикання трансформаторів був обгрунтований у 1885 р. М.Дері. Важливе значення мало запровадження масляного трансформатора (1889 р., Д.Свінберн).

3. 1889-1891 рр. Створення трифазних трансформаторів. Спочатку магнітопровод трансформатора, створенного М.О.Доливо-Добровольським був призматичного типу (зараз – просторова система), після цього – з паралельними стрижнями, роташованими у одній площині (зараз – плоска система).

Під час вивчення розділу “Трасформатори” студентам необхідно чітко уявити роль наукових абстракцій у пізнанні істини. Абстракція дозволяє думкою відвернутися від ряду конкретних властивостей об’єктів або явищ і виділити найбільш важливі, суттєві сторони для докладного аналізу їх у чистому вигляді. Тенденція до абстракності грає ведучу роль. Зрозуміти – це значить знайти зв’язки, розглянути одиничне як частковий випадок загального. Перехід до загального завжди є перехід на більш високий рівень абстракції.

При вивченні трансформатора ми спочатку розглядаємо ідеальний трансформатор, який відрізняється від реального відсутністю опору обмоток і полів розсіяння. Таке припущення значно спрощує аналіз найбільш характерних фізичних процесів реального трансформатора. При розрахунках електричних кіл, в яких трансформатор є сполучною ланкою, зручно користуватися заступними схемами, в яких магнітний зв’язок між первинною і вторинною обмотками замінюється електричним зв’язком. Аналіз усьго кола при цьому значно спрощується. І тут ми застосовуємо можливість замінити реальний трансформатор абстрактним, зведеним. Заступні схеми можуть бути різними, у тому числі і спрощеними, в залежності від того, які фізичні процеси у трансформаторі нас цікавлять.

Надзвичайно складні і короткочасні перехідні процеси у повному обсязі не піддаються математичному аналізу. І знов ми звертаємось до допустимих спрощень, які дозволяють з’ясувати основний характер реальних явищ.

Під час розробки різних типів сучасних трансформаторів приходиться стикатися, здавалося б, з суперечними явищами і комплексно вірішувати складні питання, якщо прагнути підвищити техніко-економічні показники трансформаторів (зменшення габаритів, зниження втрат, збільшення надійності і т.д.). Винятковий вплив на розвиток трансформаторів зпричинило застосування нових матеріалів, зокрема, трансформаторної (легованої) сталі. Так, з 1904 по 1911 р. маса сталі трансформатора потужністю 20 кВ^.А зменшилась більш ніж удвічі, маса міді – майже на 40% при більш високому ККД. У останні роки по мірі подальшого удосконалення технології виробництва, використання найновіших магнітних і ізоляційних матеріалів, впровадження методів розрахунку і проектування на основі обчислювальної техніки успішно розробляються різноманітні конструкції трансформаторів, у тому числі унікальних типів. Застосування нових матеріалів потребує змінення конструкції трансформаторів (наприклад, використання холоднокатаної сталі).

У одній і тій же конструкції завжди співіснують взаємовиключні, на перший погляд, суперечні тенденції. Наприклад, взаємно суперечні вимоги, які пред’являють до конструкції обмоток трансформаторів: при зменшенні перетину проводів зменшуються витрати міді, але зростає густина струму і втрати у обмотках, що знижує ККД. Можна допустити перевищення температури обмоток, але при цьому скорочується їх надійність і термін служби.

Дивовижна прозірливість і інженерна логіка у вирішенні виникаючих суперечностей видатного російського електротехніка М.О.Доливо-Добровольського. Він вперше звернув увагу на те, що загальмований асинхронний двигун являє собою багатофазний трансформатор. Так як вектори магнітних потоків у трифазній симетричній системі зміщені один відносно одного на кут 120⁰, то щоб магнітна система трансформатора була симетричною, вона повинна мати просторову форму з трьома стрижнями. Перший такий трансформатор був радіального типу і нагадував асинхронний двигун з виступаючими полюсами, в яких відсутній повітряний зазор, а обмотки ротора перенесені на стрижні. Однак складність технології і значні відходи сталі під час штамповки окремих листів заставили Доливо-Добровольського спростити конструкцію і створити широко розповсюджений у наш час трансформатор з паралельним розташуванням трьох стрижнів у одній площіні. При цьому він скористався тим, що векторна сума магнітних потоків окремих фаз дорівнює нулю ( Ф _А + Ф _В+ Ф _С = 0).

На прикладі еволюції магнітопровода трансформатора можна наочно проілюструвати одну з характерних закономірностей розвитку техніки – повернення до старих ідей на основі досягнень науково-технічного прогресу. Так, підвищення технічного рівня трансформаторобудування, освоєння виробництва рулонної холоднокатаної сталі і застосування для обмоток алюмінієвої фольги і стрічки дозволили створити ряд конструкцій потужних трифазних трансформаторів з просторовим магнітопроводом (за “системою” Доливо-Добровольського), які відрізняються високими техніко-економічними показниками.

Надзвичайно важливе значення має висвітлення питань економіки під час розглядання розвитку і удосконалення конструкцій трансформаторів і під час оцінки їх режимів роботи і експлуатаційних особливостей. Необхідний всесторонній аналіз технічних і економічних показників. Технічні показники: надійність і довговічність, ступінь автоматизації, зручність експлуатації і ремонту, безпека обслуговування; економічні показники визначаються як першопочатковими (капітальними) вкладеннями і кожнорічними (поточними) витратами, так і ефективністю використання обладнання, режимами його роботи, величиною втрат енергії. Техніко-економічні характеристики мають дуже важливе значення. Тому необхідно звернути увагу студентів на особливості конструкції, вибір матеріалів і технології виробництва і т.ін.

Студент повинен зрозуміти – чому важливо вибрати оптимальну величину амплітуди магнітної індукції у магнітопроводі трансформатора (чим потужніше трансформатор і інтенсивніше його охолодження, тим більше індукція В_m).

Далеко не завжди підкреслюється особливість режиму роботи трансформатора, яка полягає в тому, що його первинна обмотка практично не відключається від мережі, а навантаження трансформатора на протязі дня і в залежності від часу року суттєво змінюється. Тому при проектуванні трансформатора намагаються зменшити втрати неробочого ходу і зробити максимум ККД під час середнього, а не номінального навантаження. Корисно підкреслити, що втрати неробочого ходу навіть у трансформаторів невеликої потужності за абсолютною величиною дуже великі. Так, наприклад, втрати неробочого ходу трансформатора ТМ – 5600/35 складають 18,5 кВт; такої енергії достатньо для електропостачання десятиквартирного житлового будинку.

Однією з самих актуальних проблем у області електромашинобудування є охолодження машин і трансформаторів. Уся історія боротьби за підвищення одиничної потужності трансформаторів – це історія розвитку і удосконалення засобів їх охолодження. У якості прикладу вирішення суперечних тенденцій можна коротко розглянути шляхи підвищення ефективності використання мінерального масла, яке служить як для відводу тепла, так і додатковою ізоляцією.

Дуже важливо познайомити студентів з особливостями і успіхами розвитку вітчизняного трансформаторобудування. У дореволюційній Росії виготовлялись трансформатори невеликої потужності із матеріалів, які завозились з-за кордону, на підприємствах іноземних фірм. У 20-і роки на перших лініях електропередач, які споруджувались згідно плану “ГОЭЛРО”, були встановлені імпортні трансформатори. Подальша електрофікація країни ставила вимоги по створенню потужного вітчизняного виробництва силових трансформаторів. У 1921 р. у Москві був упоряджений Державний експериментальний електротехнічний інститут, а у 1925 р. вже була спроектована перша серія трансформаторів потужністю 1800 кВА напругою до 35 кВ для Московського трансформаторного заводу. До кінця 30-х років вітчизняне трансформаторобудування висунулось на передові технічні рубежі. У післявоєнні роки були створені різноманітні типи потужних силових і спеціальних трансформаторів.

Широку відомість в нашій країні і за кордоном здобула продукція Запоріжського трансформаторного заводу – найбільшого у Європі електромеханічного комбінату. Завод виготовляє понад 200 типів трансформаторів у діапазоні потужностей від 500 до 1 000 000 кВА, загальна потужність щорічного випуску дорівнює 50 млн. кВА. В останні роки створюються комплекси унікальної апаратури на надвисокі напруги (1150 кВ). Так, на Запоріжському трансформаторному заводі був створений груповий автотрансформатор потужністю 2 млн. кВА на напругу 1150/500 кВ.

Багато які складні проблеми вирішуються у співдружності з вченими інших країн, особливо – країн СНД. Необхідно познайомити студентів з основними проблемами у області трансформаторобудування на найближчі десятиріччя. Розповідаючи про майбутнє трансформаторобудування, викладач повинен переконливо показати студенту, що які б унікальні конструкції не були б створені сьогодні, вони є лише ступенем на шляху створення ще більш потужних і сучасних трансформаторів.

[1, с.131-143, 145-168, 177-181; 2, с.13-36, 43-57].