Промышленные электронные устройства. Промышленная электроника. Электрические машины: учебное пособие - Микаева С.А.

Author: Микаева С.А.

Tags: электротехника микрорадиоэлектронная аппаратура микроэлектроника электрические машины трансформаторы учебное пособие промышленная электроника

ISBN: 978-5-9729-1745-7

Year: 2024

Similar

GP Racing. How to fix Formula 1

Кет

Нæхе хуæнхти; нæ Дигори

Легенда Победы Т-34

Text

С. А. Микаева

ПРОМЫШЛЕННЫЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

/У) «Инфра-Инженерия
С. А. Микаева

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
УСТРОЙСТВА

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Учебное пособие

Москва Вологда
«Инфра-Инженерия»
2024
УДК 621.382

ББК 32.844.1

М59

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент кафедры электроники Института перспективных
технологий и индустриального программирования МИРЭА - Российского технологического
университета Журавлева Юлия Алексеевна;

доктор технических наук, доцент, заведующий базовой кафедрой источников света
Института электроники и светотехники Национального исследовательского Мордовского
государственного университета (ФГБОУ ВО «МГУ им. И. И. Огарева»)

Ашрятов Альберт Аббясович

Микаева, С. А.

М59 Промышленные электронные устройства. Промышленная электрони-
ка. Электрические машины : учебное пособие / С. А. Микаева. - Москва ;
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 140 с. : ил., табл.

18ВЫ 978-5-9729-1745-7

Представлены различные виды промышленных электронных устройств, транс-
форматоров, электрические машины постоянного и переменного тока, их устройства,
принципиальные схемы, векторные диаграммы, условия работы, а также индукцион-
ные машины синхронной связи и датчики.

Для студентов специальности «Промышленная электроника», а также специали-
стов в области приборостроения и радиоэлектроники, инженерно-технических и
научных работников светотехнической и химической промышленности, занятых раз-
работкой, производством и применением промышленных электронных устройств,
трансформаторов и электрических машин.

УДК 621.382

ББК 32.844.1

18ВУ 978-5-9729-1745-7

Одной из предпосылок хорошего усвоения студентами изучаемого мате-
риала является самостоятельное изучение материала при прохождении любой
дисциплины.

Курс предназначен для лучшего усвоения студентами читаемых лекций
по промышленной электронике. Во всех 5-ти главах по трансформаторам, элек-
трическим машинам постоянного и переменного тока изложен материал в фор-
ме, доступной для усвоения.

В начале каждого раздела приведен аналитический материал, вывод фор-
мул в доступном виде для решения задач, а также построения диаграмм, графи-
ков.

Все разделы сопровождаются обоснованным объяснением физике про-
цессов, происходящих в электрических цепях, что позволяет студентам более
углубленно изучать общий курс промышленных электронных устройств, про-
мышленной электроники и электротехники.
СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.................................7

ГЛАВА I. ТРАНСФОРМАТОРЫ...........................................8

ЕЕ Устройство трансформатора.................................8

Е2 . Схема включения трансформатора..........................15

1.3. Векторная диаграмма трансформатора тока..................19

1.4. Условия работы трансформатора тока.......................21

1.4.1. Холостой ход однофазного трансформатора.............22

1.4.2. Работа однофазного трансформатора под нагрузкой.....24

1.4.3. Режим короткого замыкания однофазного трансформатора.27

1.5. Совмещение режимов.......................................30

1.6. Трехфазные трансформаторы................................34

1.6.1. Группы соединения трансформаторов...................36

1.6.2. Переходные режимы трансформаторов...................44

1.7. Вопросы для самопроверки.................................53

ГЛАВА II. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ...................................54

2.1. Основные понятия и функции...............................54

2.2. Механические характеристики электрических двигателей
и производственных механизмов.................................55

2.2.1. Условие устойчивого функционирования электропровода.55

2.3. Классификация электрических машин........................57

2.4. Вопросы для самопроверки.................................58

ГЛАВА III. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.................59

3.1. Устройство машины постоянного тока.......................59

3.1.1. Принцип действия машины постоянного тока............60

3.1.2. Уравнение вращающего момента........................62

3.1.3. Реакция якоря.......................................63

3.1.4. Процесс коммутации..................................64

3.1.5. Способы включения обмоток возбуждения машин
постоянного тока...........................................66

3.2. Генератор постоянного тока...............................67

3.2.1. Режим генератора постоянного тока...................67

3.2.2. Характеристики генераторов постоянного тока.........68

3.2.3. Генератор с независимым возбуждением................69

3.2.4. Процесс самовозбуждения генератора постоянного тока.71
3.2.5. Генератор с параллельным возбуждением...............71

3.2.6. Генератор со смешанным возбуждением.................72

3.3. Двигатель постоянного тока..............................73

3.3.1. Режим двигателя постоянного тока...................73

3.3.2. Характеристики двигателей постоянного тока..........74

3.3.3. Двигатель с независимым возбуждением................75

3.3.4. Двигатель с параллельным возбуждением...............76

3.3.5. Двигатель с последовательным возбуждением...........78

3.3.6. Двигатель со смешанным возбуждением.................79

3.4. Вопросы для самопроверки.................................80

ГЛАВА IV. ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.............................82

4.1. Асинхронный двигатель....................................82

4.1.1. Устройство асинхронного двигателя...................82

4.1.2. Принцип действия асинхронного двигателя.............85

4.1.3. Вращающееся магнитное поле..........................85

4.1.4. Логическая диаграмма функционирования...............88

4.1.5. Скольжение..........................................88

4.1.6. Электродвижущие силы ротора и статора...............89

4.1.7. Основные уравнения асинхронного двигателя...........90

4.1.8. Вращающий момент....................................91

4.1.9. Потери мощности и КПД двигателя.....................92

4.1.10. Механическая характеристика асинхронного двигателя.93

4.1.11. Рабочие характеристики асинхронного двигателя......94

4.2. Синхронный двигатель.....................................95

4.2.1. Общие сведения......................................95

4.2.2. Устройство синхронных машин.........................97

4.2.3. Принцип действия....................................97

4.2.4. Основные уравнения двигателя........................99

4.2.5. Характеристики двигателя...........................100

4.3. Вопросы для самопроверки................................102

ГЛАВА V. ИНДУКЦИОННЫЕ МАШИНЫ СИНХРОННОЙ СВЯЗИ.

ДАТЧИКИ.........................................................103

5.1. Сельсины. Устройство и принцип действия.................103

5.1.1. Общие сведения.....................................103

5.1.2. Конструкция........................................104

5.1.3. Бесконтактные сельсины.............................105

5.1.4. Трансформаторный режим.............................106
5.2. Поворотные (вращающиеся) трансформаторы.................109

5.2.1. Общие сведения.....................................110

5.2.2. Конструкция........................................112

5.2.3. Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы.
Принцип действия..........................................112

5.2.4. Симметрирование вращающихся трансформаторов........114

5.2.5. Погрешности и классы точности вращающихся
трансформаторов...........................................116

5.3. Многополюсные преобразователи угла......................118

5.3.1. Общие сведения.....................................118

5.4. Первичные преобразователи (датчики). Классификация датчиков,
основные требования к ним....................................121

5.5. Вопросы для самопроверки................................134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................135
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

тт трансформатор тока
ипт измерительный преобразователь тока
ип измерительный преобразователь
XX холостой ход
мдс магнитодвижущая сила
эдс электродвижущая сила
КЗ короткое замыкание
кпд коэффициент полезного действия
мпт электрические машины постоянного тока
ГН геометрическая нейтраль
ФН физическая нейтраль
АД асинхронный двигатель
ЭМИ закон электромагнитной индукции
ЭМС электромагнитные силы
АД асинхронный двигатель
ВТ вращающиеся трансформаторы
сквт синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы
лвт линейные вращающиеся трансформаторы
втдп датчики и приемники трансформаторных дистанционных передач угла
Термо-ЭД С термоэлектродвижущая сила
ГЛАВА I. ТРАНСФОРМАТОРЫ

1.1. Устройство трансформатора

Определение: трансформатор - статистический электромагнитный аппа-
рат преобразующий систему переменного тока одного напряжения в систему
переменного тока другого напряжения.

Назначение: трансформаторы служат для передачи и распределения элек-
троэнергии потребителей. Повышающие трансформаторы повышают напряже-
ние, число витков вторичной обмотки XV2 у них больше числа витков первичной
обмотки\У|: XV2 > XVI у понижающих трансформаторов XVI < XV2.

Трансформатором тока (ТТ), называется такой трансформатор, в котором
выходной ток, практически пропорционален первичному току и сдвинут отно-
сительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь последова-
тельно (в рассечку токопровода), а вторичная замыкается на нагрузку, обеспе-
чивая в ней ток, пропорциональный току в первичной обмотке. В ТТ высокого
напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной (земля) на полное
рабочее напряжение. Один конец вторичной обмотки обычно заземляется, по-
этому она имеет потенциал, близкий к потенциалу земли. ТТ разделяются на
трансформаторы тока для измерений и трансформаторы тока для защиты. В не-
которых случаях эти функции совмещаются в одном ТТ. ТТ для измерений
предназначаются для передачи информации измерительным приборам. Они
устанавливаются в цепях высокого напряжения или в цепях с большим током,
т. е. в цепях, в которых невозможно непосредственное включение измеритель-
ных приборов. Ко вторичной обмотке ТТ для измерений подключаются ампер-
метры, токовые обмотки ваттметров, счетчиков и аналогичных приборов. Т. о.,
трансформатор тока для измерений обеспечивает:

1) преобразование переменного тока любого значения в переменный, ток,
приемлемый для непосредственного измерения с помощью стандарт-
ных измерительных приборов;

2) изолирование измерительных приборов, к которым имеет доступ об-
служивающий персонал, от цепи высокого напряжения.

ТТ для защиты предназначаются для передачи измерительной информа-
ции в устройства защиты и управления. Соответственно, трансформатор тока
для защиты обеспечивает:
1) преобразование переменного тока любого значения в переменный ток,
приемлемый для питания устройств релейной защиты;

2) изолирование реле, к которым имеет доступ обслуживающий персо-
нал, от цепи высокого напряжения.

ТТ в установках высокого напряжения необходимы даже в тех случаях,
когда уменьшения тока для измерительных приборов или реле не требуется.

Измерительный преобразователь тока (ИПТ) это устройство, предна-
значенное для преобразования первичного тока в такой выходной сигнал, ин-
формативные параметры которого функционально связаны с информативными
параметрами первичного тока. ИПТ обычно создаются на основе широко при-
меняемого в электротехнике трансформаторного эффекта - в виде трансформа-
тора. В зависимости от рода тока ИПТ разделяются на ИП переменного и ИП
постоянного тока. В данной работе будут рассмотрены ИПТ переменного тока
для установок и сетей с номинальной частотой тока 50 Гц. ИПТ для защиты
предназначаются для работы только в установившихся (статических) режимах
либо в установившихся и переходных (динамических) режимах. В зависимости
от вида преобразования ИПТ делятся на преобразователи тока в ток, тока в
напряжение (трансреакторы, магнитные ТТ), а также тока в неэлектрическую
величину, например, в световой поток. При этом по способу представления вы-
ходной информации ИПТ подразделяются на аналоговые и дискретные. Целе-
сообразно разделять ИПТ в зависимости от уровня напряжения, определяюще-
го конструкцию, а иногда и принцип действия ИПТ. С учетом применяемых
номинальных напряжений различают ИПТ низкого (номинальное напряжение
до 1000 В) и высокого напряжения (1-1150 кВ и выше).

Все ТТ классифицируются по следующим основным признакам.

По роду установки'.

- ТТ для работы на открытом воздухе (категория размещения 1 по ГОСТ
15150-69);

- для работы в закрытых помещениях (категории размещения 3 или 4
по ГОСТ 15150-69);

- для встраивания в полости электрооборудования;

- для специальных установок (в шахтах, на судах, электровозах и т. д.).
По способу установки'.

- проходные ТТ, предназначенные для использования в качестве ввода и
устанавливаемые в проемах стен, потолков или в металлических кон-
струкциях;

- опорные, предназначенные для установки на опорной плоскости;

- встраиваемые, т. е. предназначенные для установки в полости электро-
оборудования.
По числу коэффициентов трансформации'.

- с одним коэффициентом трансформации;

- с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изме-
нением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих
обмоток, или применением нескольких вторичных обмоток с различ-
ным числом витков, соответствующим различному номинальному
вторичному току.

По числу ступеней трансформации'.

- одноступенчатые;

- каскадные (многоступенчатые), т. е. с несколькими ступенями транс-
формации тока.

По выполнению первичной обмотки:

- одновитковые;

- многовитковые.

Одновитковые ТТ (рис. 1.1) имеют две разновидности: без собственной
первичной обмотки и с собственной первичной обмоткой. Одновитковые ТТ, не
имеющие собственной первичной обмотки, выполняются встроенными, шин-
ными или разъемными. Встроенный ТТ 1 представляет собой магнитопровод с
намотанной на него вторичной обмоткой. Он не имеет собственной первичной
обмотки, ее роль выполняет токоведущий стержень проходного изолятора.
Этот трансформатор тока не имеет изоляционных элементов, их роль выполня-
ет изоляция проходного изолятора. В шинном ТТ роль первичной обмотки вы-
полняют одна или несколько шин распределительного устройства, пропускае-
мые при монтаже сквозь полость проходного изолятора, который изолирует та-
кую первичную обмотку от вторичной. Разъемный ТТ 2 тоже не имеет соб-
ственной первичной обмотки. Его магнитопровод состоит из двух частей, стя-
гиваемых болтами. Он может размыкаться и смыкаться вокруг проводника с
током, являющимся первичной обмоткой этого ТТ. Изоляция между первичной
и вторичной обмотками наложена на магнитопровод со вторичной обмоткой.

Одновитковые ТТ, имеющие собственную первичною обмотку, выпол-
няются со стержневой первичной обмоткой или с И-образной. ТТ 3 имеет пер-
вичную обмотку в виде стержня круглого или прямоугольного сечения, закреп-
ленного в проходном изоляторе. ТТ 4 имеет И-образную первичную обмотку,
выполненную таким образом, что на нее наложена почти вся внутренняя изоля-
ция ТТ.

Многовитковые ТТ (рис. 1.1) изготовляются с катушечной первичной
обмоткой, надеваемой на магнитопровод; с петлевой первичной обмоткой 5,
состоящей из нескольких витков; со звеньевой первичной обмоткой, у которой
внутренняя изоляция конструктивно распределена между первичной и вторич-
ной обмотками, взаимное расположение которых напоминает звенья цепи;
с рымовидной первичной обмоткой 6, выполненной т. о., что внутренняя изо-
ляция ТТ нанесена только на первичную обмотку, имеющую форму рыма.

Рис. 1.1. Схема трансформатора тока:

-----собственная первичная обмотка ТТ;

-----токоведущий стержень проходного изолятора (шина)

По роду изоляции между первичной и вторичной обмотками ТТ изготов-
ляются с твердой (фарфор, литая изоляция, прессованная изоляция и т. д.);
с вязкой (заливочные компаунды); с комбинированной (бумажно-масляная,
конденсаторного типа) или газообразной (воздух) изоляцией. По принципу
преобразования тока ТТ делятся на электромагнитные и оптико-электронные.

Основными параметрами и характеристиками ТТ в соответствии с ГОСТ
7746-2015 «Трансформаторы тока. Общие технические требования» являются:

1. Номинальное напряжение - действующее значение линейного напря-
жения, при котором предназначен работать ТТ, указываемое в паспортной таб-
лице ТТ. Для отечественных ТТ принята следующая шкала номинальных
напряжений, кВ: 0,66; 6; 10; 16; 20; 24; 27; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150.

2. Номинальный первичный ток 11Н, указываемый в паспорте это ток, про-
ходящий по первичной обмотке, обуславливающий наиболее продолжительную
работу ТТ. Для отечественных ТТ принята следующая шкала номинальных
первичных токов (А): 1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 400; 150; 200; 300; 400;
500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 10 000;
12 000; 14 000; 16 000; 18 000; 20 000; 25 000; 28 000; 32 000; 35 000; 40 000.

В ТТ, предназначенных для комплектования турбо- и гидрогенераторов,
значения номинального тока свыше 10 000 А могут отличаться от приведенных
в данной шкале значений. ТТ, рассчитанные на номинальный первичный ток
15; 30; 75; 150; 300; 600; 750; 1200; 1500; 3000 и 6000 А, должны допускать не-
ограниченно длительное время наибольший рабочий первичный ток, равный
16; 32; 80; 160; 320; 630; 800; 1250; 1600; 3200 и 6300 А соответственно.
В остальных случаях наибольший первичный ток равен номинальному первич-
ному току.

3. Номинальный вторичный ток 12Н, указываемый в паспортной таблице
ТТ - это ток, проходящий по вторичной обмотке. Номинальный вторичный ток
принимается равным 1 или 5 А, причем ток 1 А допускается только для ТТ
с номинальным первичным током до 4000 А. По согласованию с заказчиком
допускается изготовление ТТ с номинальным вторичным током 2 или 2,5 А.

4. Вторичная нагрузка ТТ 72Н соответствует полному сопротивлению его
внешней вторичной цепи, выраженному в Ом, с указанием коэффициента мощ-
ности. Вторичная нагрузка может также характеризоваться полной мощностью
в вольт-амперах (ВА), потребляемой ею при данном коэффициенте мощности и
номинальном вторичном токе. Вторичная нагрузка с коэффициентом мощности
со8(ф2) = 0,8, при которой гарантируется установленный класс точности ТТ или
предельная кратность первичного тока относительно его номинального значе-
ния, называется номинальной вторичной нагрузкой ТТ 72Нном.

Для отечественных ТТ установлены следующие значения номинальной
вторичной нагрузки 82НнОм., выраженной в вольт-амперах, при коэффициенте
мощности со8(ф2) = 0,8: 1; 2; 2,5; 3; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75; 90;
100; 120. Соответствующие значения номинальной вторичной нагрузки (Ом)
определяются выражением: 221111Ом= 82НнОм/122н.

5. Коэффициент трансформации ТТ равен отношению первичного тока ко
вторичному току.

В расчетах ТТ применяются две величины: действительный коэффициент
трансформации п и номинальный коэффициент трансформации пн. Под действи-
тельным коэффициентом трансформации понимается отношение действительно-
го первичного тока к действительному вторичному току, под номинальным - от-
ношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току.

6. Стойкость ТТ к механическим и тепловым воздействиям характеризу-
ется током электродинамической стойкости и током термической стойкости.
Ток электродинамической стойкости 1д равен наибольшей амплитуде тока ко-
роткого замыкания за все время его протекания, которую ТТ выдерживает без
повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе. Ток 1д ха-
рактеризует способность ТТ противостоять механическим (электродинамиче-
ским) воздействиям тока короткого замыкания. Электродинамическая стой-
кость может характеризоваться также кратностью Кд, представляющей собой
отношение тока электродинамической стойкости к амплитуде номинального
первичного тока. Требования электродинамической стойкости не распростра-
няются на шинные, встроенные и разъемные ТТ.
Ток термической стойкости 11т равен наибольшему действующему значе-
нию тока короткого замыкания за промежуток которое ТТ выдерживает в те-
чение всего промежутка времени без нагрева токоведущих частей до темпера-
тур, превышающих допустимые при токах короткого замыкания, и без повре-
ждений, препятствующих его дальнейшей работе. Термическая стойкость ха-
рактеризует способность ТТ противостоять тепловым воздействиям тока корот-
кого замыкания. Для суждения о термической стойкости ТТ необходимо знать
общее количество выделенной теплоты, которое пропорционально произведе-
нию квадрата тока 11Т и длительности его 1т. Время 1т, зависит от параметров се-
ти, в которой установлен ТТ, и изменяется от одной до нескольких секунд.
Термическая стойкость характеризуется кратностью Кт представляющей собой
отношение тока термической стойкости к действующему значению номиналь-
ного первичного тока.

В соответствии с ГОСТ 7746-2015 для отечественных ТТ установлены
следующие токи термической стойкости:

а) односекундный 11Т или двухсекундный 12т (или кратность их К1Т и
К2Тпо отношению к номинальному первичному току) для трансформа-
торов тока на номинальные напряжения 330 кВ и выше;

б) односекундный 11Т или трехсекундный; 1зт (или кратность их Кц и Кзт
по отношению к номинальному первичному току) для трансформато-
ров тока на номинальные напряжения до 220 кВ включительно. Между
токами электродинамической и термической стойкости должны быть
следующие соотношения: для ТТ на номинальные напряжения 330 кВ
и выше 1д> 1,8д/211Т или 1д> 1,8д/212т для ТТ на номинальные напря-
жения до 220 кВ 1д> 1,8д/211Т или 1д> 1,8д/21зт .

Температура токоведущих частей ТТ при токе термической стойкости не
должна превышать: 200 °С для токоведущих частей из алюминия; 250 °С для
токоведущих частей из меди и ее сплавов, соприкасающихся с органической
изоляцией или маслом, и 300 °С для токоведущих частей из меди и ее сплавов,
не соприкасающихся с органической изоляцией или маслом. При определении
указанных значений температуры следует исходить из начальных ее значений,
соответствующих длительной работе ТТ при номинальном токе. Значения то-
ков электродинамической и термической стойкости ТТ государственным стан-
дартом не нормируются. Однако они должны соответствовать электродинами-
ческой и термической стойкости других аппаратов высокого напряжения, уста-
навливаемых в одной цепи с ТТ.

7. Механическая нагрузка определяется давлением ветра со скоростью
40 м/с на поверхность ТТ и натяжением подводящих проводов (в горизонтальном
направлении в плоскости выводов первичной обмотки), которое должно быть
не менее: 500 Н - для ТТ до 35 кВ включительно; 1000 Н - для ТТ на 110—
220 кВ; 1500 Н - для ТТ на 330 кВ и выше.

При проектировании ТТ помимо этих параметров должны учитываться
следующие требования к конструкции:

- контактные зажимы выводов первичной обмотки ТТ должны выпол-
няться с учетом требований ГОСТ 10434-82 «Соединения контактные
электрические. Классификация. Общие технические условия», а транс-
форматоров тока наружной установки - с учетом, кроме того, требова-
ний ГОСТ 21242-75 «Выводы контактные электротехнических
устройств плоские и штыревые». Контактные зажимы выводов вторич-
ных обмоток должны выполняться с учетом требований ГОСТ 10434-82
«Соединения контактные электрические. Классификация. Общие тех-
нические условия». Контактные зажимы вторичных обмоток встроен-
ных трансформаторов тока могут быть расположены на конструктив-
ных элементах аппарата, в который встроен трансформатор тока. В ТТ
тока наружной установки контактные зажимы выводов вторичной об-
мотки должны находиться в специальных коробках, надёжно защища-
ющих их от атмосферных осадков. Обозначение выводных концов
первичных и вторичных обмоток должно производиться в соответ-
ствии ГОСТ 7746-2015 «Трансформаторы тока. Общие технические
условия». Линейные выводы первичной обмотки обозначаются симво-
лами Л1 и Л2, которые должны наноситься так, чтобы при направлении
тока в первичной обмотке от Л1 и Ц соответственно к К, и Л2 вторич-
ный ток проходил по внешней цепи (приборам) от И1 к И2;

- маслонаполненный ТТ должен иметь маслорасширитель (компенса-
тор) и указатель уровня масла. Вместимость маслорасширителя долж-
на обеспечивать постоянное наличие в нем масла при всех режимах
работы трансформатора тока - от отключенного состояния до норми-
рованной токовой нагрузки - и при колебаниях температуры окружа-
ющего воздуха, установленных для данного климатического района. В
ТТ на номинальные напряжения 330 кВ и более обязательно должна
быть предусмотрена защита масла от увлажнения, например посред-
ством сильфонов. Целесообразно такую же защиту предусматривать и
в трансформаторах тока на меньшие напряжения;

- размеры указателя уровня масла должны быть такими, чтобы обслу-
живающий персонал мог с безопасного расстояния наблюдать за уров-
нем масла в трансформаторе тока;
- ТТ, имеющие массу более 50 кг, должны иметь приспособления для
подъема. Если такие приспособления невозможно выполнить, то завод-
изготовитель должен указывать в инструкции места захвата трансфор-
маторов тока при подъеме;

- ТТ, у которых амплитуда напряжения на разомкнутой вторичной об-
мотке при номинальном токе в первичной обмотке превышает 350 В,
должны иметь надпись: «Внимание! Опасно! На разомкнутой обмотке
высокое напряжение»;

- ТТ, кроме встроенных, должны иметь контактную площадку для при-
соединения заземляющего проводника и заземляющий зажим в соот-
ветствии с требованиями ГОСТ 21130-75 «Изделия электротехниче-
ские. Зажимы заземляющие и знаки заземления. Конструкция и разме-
ры» и ГОСТ 12.2.007.3-75 «Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Электротехнические устройства на напряжение свыше 1000 В.
Требования безопасности». Возле заземляющего зажима должен быть
установлен знак заземления по ГОСТ 21130-75. Указанные требования
не распространяются на ТТ с корпусом из литой смолы или пластмас-
сы, не имеющие подлежащих заземлению металлических частей, а
также на ТТ, не подлежащие заземлению согласно ГОСТ 12.2.007.3-75.

1.2. Схема включения трансформатора

Принципиальная схема одноступенчатого электромагнитного ТТ и его
схема замещения приведены на рис. 1.2. Как видно из схемы, основными эле-
ментами трансформатора тока, участвующими в преобразовании тока, являют-
ся первичная 1 и вторичная 2 обмотки, намотанные на один и тот же магнито-
провод 3. Первичная обмотка включается последовательно (в рассечку токо-
провода высокого напряжения 4), т. е. обтекается током линии К. К вторичной
обмотке подключаются измерительные приборы (амперметр, токовая обмотка
счетчика) или реле. При работе трансформатора тока вторичная обмотка всегда
замкнута на нагрузку.

Первичную обмотку совместно с цепью высокого напряжения называют
первичной цепью, а внешнюю цепь, получающую измерительную информацию
от вторичной обмотки трансформатора тока (нагрузку и соединительные про-
вода), - вторичной цепью. Цепь, образуемую вторичной обмоткой и присоеди-
ненной к ней вторичной цепью, называют ветвью вторичного тока.

Обмотки изолированы друг от друга на полное рабочее напряжение. Это
позволяет осуществить непосредственное присоединение измерительных при-
боров или реле к вторичной обмотке и тем самым исключить воздействие
высокого напряжения, приложенного к первичной обмотке, на обслуживающий
персонал. Так как обе обмотки наложены на один и тот же магнитопровод, они
являются магнитно-связанными, поэтому простое объединение этих обмоток
невозможно. Используется схема замещения, в которой магнитная связь между
вторичной и первичной обмотками заменяется электрической (рис. 1.2, б).
Общий участок схемы 20 (контур намагничивания) замещает действие основно-
го магнитного потока (Ф). Схема замещения позволяет определить параметры
трансформатора известными методами расчета электрических цепей. Между
первичной и вторичной обмотками трансформатора не имеется электрической
связи. На рис. 1.2 изображены только те элементы трансформатора тока, кото-
рые участвуют в преобразовании тока. Реальный, ТТ имеет много других эле-
ментов, обеспечивающих требуемый уровень изоляции, защиту от атмосфер-
ных воздействий надлежащие монтажные и эксплуатационные характеристики.

Рис. 1.2. Принципиальная схема включения в сеть трансформатора тока
и его схема замещения

Рассмотрим принцип действия ТТ. Под действием синусоидального
напряжения по первичной обмотке 1 трансформатора проходит ток 11, который
зависит только от параметров первичной цепи. Поэтому при анализе явлений,
происходящих в трансформаторе тока, первичный ток можно считать заданной
величиной. При прохождении первичного тока по первичной обмотке в магни-
топроводе создается переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же
частотой, что и ток 11. Магнитный поток Ф1 охватывает витки обмотки, ин-
дуктируя в ней ЭДС - Ер Пересекая витки вторичной обмотки, магнитный по-
ток Ф1 при своем изменении индуцирует в ней электродвижущую силу Е2. Если
вторичная обмотка замкнута нагрузку, то в такой системе «вторичная обмотка -
вторичная цепь» под действием индуцируемой ЭДС будет проходить ток 12,
имеющий согласно закону Ленца, направление, противоположное направлению
первичного тока 11. Ток, проходящий по вторичной обмотке, создает в магнито-
проводе переменный магнитный поток Ф2, который направлен встречно маг-
нитному потоку Фь Вследствие наложения Ф2 на Ф1 магнитный поток в магни-
топроводе Фо, уменьшится, в нем устанавливается результирующий (главный)
магнитный поток Фо: Фо= Ф1 - Ф2, составляющий несколько процентов магнит-
ного потока Фр Поток Фо является передаточным, посредством которого осу-
ществляется передача энергий от первичной обмотки ко вторичной в процессе
преобразования тока. Так как витки первичной и вторичной обмоток имеют
примерно одинаковое сцепление с магнитным потоком в магнитопроводе, то
если пренебречь рассеянием, в каждом витке обеих обмоток индуцируется одна
и та же ЭД С. Под воздействием ЭДС Е2 во вторичной обмотке протекает ток 12,
называемый вторичным током.

Если обозначить число витков первичной обмотки, через XV ь а вторичной
обмотки через ХУ2, то при протекании по ним соответственно токов Е и 12 в пер-
вичной обмотке создается магнитодвижущая сила Е1 = Е^1 называемая первич-
ной магнитодвижущей силой (МДС), а во вторичной обмотке - магнитодвижу-
щая сила Е2 = 12\У2 называемая вторичной МДС. Магнитодвижущая сила изме-
ряется в амперах.

При отсутствии потерь энергии в процессе преобразования тока магнито-
движущие силы Е1 и Е2 численно равны, но направлены в противоположные
стороны. ТТ, у которого процесс преобразования тока не сопровождается поте-
рями энергии, называется идеальным. Для идеального ТТ справедливо следу-
ющее векторное равенство:

Е1 = Е2, или 11XV1 = 12^2,11/12 = АУ1АУ2 = п.

Токи в обмотках идеального ТТ обратно пропорциональны числам вит-
ков.

Отношение первичного тока к вторичному (Е/Е) или числа витков вто-
ричной обмотки к числу витков первичной обмотки (ХУ1ДУ2) называется коэф-
фициентом трансформации п идеального ТТ. Выразим первичный ток через
коэффициент трансформации п.

Е = 12(^1Ж2) = 12п,

т. е. первичный ток Е равен вторичному току 12, умноженному на коэффициент
трансформации ТТ п.

В реальных ТТ преобразование тока сопровождается потерями энергии,
расходуемой на создание магнитного потока в магнитопроводе, на нагрев и пе-
ремагничивание магнитопровода, а также на нагрев проводов вторичной об-
мотки и вторичной цепи. Эти потери энергии нарушают установленные выше
равенства для абсолютных значений магнитодвижущих сил Г1 и Г2. В реальном
трансформаторе первичная МДС должна обеспечить создание необходимой
вторичной МДС, а также дополнительной МДС, расходуемой на намагничива-
ние магнитопровода и покрытие других потерь энергии. Следовательно, для ре-
ального трансформатора уравнение имеет вид Г| = Г2 + Г(), где Го - полная МДС
намагничивания, затрачиваемая на проведение магнитного потока Фо по магни-
топроводу, на нагрев и перемагничивание его.

В соответствии с этим запишем

11^1 = Ш2+ 1о^о,
где 10 - ток намагничивания, создающий в магнитопроводе магнитный поток
Фо-

Разделив все члены уравнения на \У| получим:

11 = 12(№2Ж1) + 10.

При первичном токе, не превышающем номинальный, ток намагничива-
ния обычно составляет не более 1-НЗ % первичного тока, им можно пренебречь.
Тогда выражение первичного тока остается без изменений, т. с. 11 = 12п.

Т. о., вторичный ток трансформатора пропорционален первичному току.
Из выражений следует, что для понижения измеряемого тока необходимо, что-
бы XV 2 > УУь Сравнивая формулы, видим, что они отличаются друг от друга
членом Го (1(Л^1)? следовательно, реальный ТТ несколько искажает результаты
измерений, т. е. имеет погрешности. Иногда пользуются приведением тока к
первичной или вторичной обмотке. Так, например, если разделить первичный
ток на коэффициент трансформации, то получим первичный ток, приведенный
ко вторичной обмотке Го:

Го — 11/п.

В то же время приведенный ток намагничивания Го= 10/п, тогда 1'1 = Г2+ Го.

Путем такого приведения ТТ заменяется эквивалентным ТТ с коэффици-
ентом трансформации, равным единице. Из полученного равенства следует, что
часть приведенного первичного тока 1'1 идет на намагничивание магнитопрово-
да, а остальная часть трансформируется во вторичную цепь, т. е. первичный ток
1'1 как бы разветвляется по цепи нагрузки и цепи намагничивания. Этому соот-
ветствует схема замещения, приведенная на рис. 1.2, б), где в цепь ветви намаг-
ничивания /о от тока 11 ответвляется ток Го. Остальная часть тока 1'1 проходит
по вторичной цепи, образуя вторичный ток Г2. Сопротивление первичной об-
мотки ТТ на схеме замещения не показано, так как оно не оказывает влияния на
работу трансформатора.
1.3. Векторная диаграмма трансформатора тока

Для построения векторной диаграммы трансформатора тока (рис. 1.3),
соответствующего схеме замещения на рис. 1.2, б), должны быть известны сле-
дующие величины:

1) число витков УУ2, активное г2обм и индуктивное х2обм сопротивления
(Ом) вторичной обмотки трансформатора тока;

2) средняя длина магнитного пути 1м (м) и расчетное поперечное сечение
8М (м2) магнитопровода трансформатора тока;

3) материал магнитопровода и его магнитные свойства;

4) вторичная нагрузка х2н =у/г22Н + х22н? представляющая собой полное
сопротивление (Ом) всех приборов и реле, включенных во вторичную
цепь, а также соединительных проводов в ней; здесь г2Н - активное со-
противление вторичной цепи, х2Н - индуктивное сопротивление вто-
ричной цепи (Ом).

Векторная диаграмма трансформатора тока изображена в прямоугольной
системе координат на рис. 1.3. Ось абсцисс совпадает с вектором вторичного
тока 12. Построение векторной диаграммы производим следующим образом. От
начала координат (т. О) откладывается вправо вектор вторичного тока 12, или
пропорциональнаю ему МДС Е2 Вектор активной составляющей падения
напряжения на вторичной обмотке 12г2обм совпадает по направлению с вектором
тока 12. Из конца вектора 12г2обм под прямым углом отложим вектор индуктив-
ной составляющей падения напряжения на вторичной обмотке 12х2обм, из конца
которого параллельно 12 отложим вектор активной составляющей падения
напряжения на нагрузке 12г2Н. Вектор индуктивной составляющей на нагрузке
Ьхгобм проводим из конца вектора 12г2Н перпендикулярно ему. Результирующий
вектор дает ЭДС вторичной обмотки (В).

Е2 = 12\/(Гэ я + Г2Н )2 + (Хэ я +х2н)2-

Из курса электротехники известно, что магнитный поток опережает со-
здаваемую им ЭДС на 90°. Магнитная индукция совпадает по направлению с
магнитным потоком, ее максимальное значение (в теслах) может быть опреде-
лено по формуле:

д __________Е2_______ 0,22Е2

тах“ 4,44Г 8м.уу2“ Г.8м.уу2’

где 8М - расчетная площадь поперечного сечения магнитопровода, м2;

Г - частота тока Е, Гц.
Рис. 1.3. Векторная диаграмма трансформатора тока

Фазовый сдвиг между вторичной ЭДС и вторичным током 12 будет:
а' —агсТе^ (Х2°бм + Х2Н)
а — агсщ| —----------------------------— .

< (Г2обм + Г2Н) )

Нанесем на векторную диаграмму направление векторов магнитного пото-
ка Фо и индукции Втах. Зная направление этих векторов, можно построить вектор
полной МД С. намагничивания. Он должен опережать векторы Фо и Втах на угол
потерь Т, характеризующий отношение активной составляющей Го МД С намаг-
ничивания Го в магнитопроводе к реактивной составляющей ГОр. Угол потерь
можно определить по экспериментальной кривой, снятой для данного магнитно-
го материала. Эта кривая представляет, собой зависимость угла потерь (в граду-
сах) от магнитной индукций Т = Г(Втах). Для примера на рис. 1.4 представлена
зависимость удельной МДС, намагничивания Гуд и угла потерь Т в электротех-
нической стали марки 3413 от индукции Втах. Абсолютное значение полной
МДС намагничивания Го = ГУД1М, где Гуд - удельная МДС. намагничивания (при-
ходящаяся на 1 м длины магнитного пути в магнитопроводе), А/м; 1м - средняя
длина магнитного пути в магнитопроводе, м.

Удельная МДС Гуд определяется по кривой намагничивания, которая
представляет собой зависимость максимальной магнитной индукции от удель-
ной МДС намагничивания Вмах = Г(ГУД). Кривые намагничивания снимаются
экспериментально для магнитопровода из стали данной марки.

При расчете трансформаторов тока чаще пользуются так называемой пе-
ревернутой кривой намагничивания. Эта зависимость удельной МДС от маг-
нитной индукции Гуд = Г(Вмах) изображена, на рис. 1.4.

Определив значение полной МДС намагничиваниях Го, строим вектор ее
под углом к вектору Фо с опережением на угол Т. Зная векторы Г2 и Го, нетруд-
но определить вектор первичной МДС Гр Для этого влево от начала координат
откладываем вектор Г2. Геометрическим сложением векторов Г2 и Го определим
вектор первичной МДС Гр Мы построили векторную диаграмму ТТ, оперируя
магнитодвижущими силами. Однако можно построить векторную диаграмму
ТТ, исходя из базисного вектора тока 12. Конечно, все токи должны быть приве-
дены к первичной или вторичной обмотке. Векторная диаграмма наглядно по-
казывает соотношения между основными параметрами ТТ (токи, сопротивле-
ния и т. д.). Видно, что в реальном ТТ первичная МДС несколько больше вто-
ричной, так как часть энергии, подводимой к первичной обмотке, затрачивается
на создание МДС намагничивания Г0- Следовательно, и первичный ток не-
сколько больше вторичного. Кроме того, угол между векторами первичной и
вторичной МДС (и соответственно между токами К и 12) несколько меньше
180°. Т. о., реальный ТТ вносит некоторую погрешность как в измеряемое зна-
чение, так и в фазу вторичного тока.

1.4. Условия работы трансформаторов тока

Трансформаторам тока приходится работать в различных режимах, име-
ющих место в электрической цепи, а именно в установившемся и переходном
режимах. Установившимся называют режим работы ТТ, при котором токи в
первичной и вторичной обмотках ТТ не содержат затухающих свободных апе-
риодических и периодических составляющих. Одним из видов установившего-
ся режима является нормальный режим работы ТТ, при котором первичный и
вторичный токи, погрешности различных видов и напряжения между обмотка-
ми ТТ не превышают длительно допустимых при заданных условиях эксплуа-
тации. К установившимся режимам относится также трансформация тока ко-
роткого замыкания или другого тока; отличающегося от нормального рабочего
тока установки, после затухания свободных составляющих.

Переходным режимом работы ТТ называют электромагнитный процесс,
возникающий при переходе от одного режима к другому вследствие резкого из-
менения параметров первичного тока или нагрузки ТТ (например, при коротком
21
замыкании или коммутациях в первичной цепи либо при внезапном замыкании
накоротко ветви вторичного тока). При переходном режиме по первичной и
вторичной обмоткам ТТ проходят свободные затухающие составляющие токов.
При правильном выборе ТТ токи в его обмотках ни при установившихся, ни
при переходных режимах не должны превышать допустимые по термической и
динамической стойкости. При этом погрешности различных видов также не
должны быть больше допустимых в этих режимах погрешностей.

1.4.1. Холостой ход однофазного трансформатора

1. Режим холостого хода (XX). XX позволяет определить параметры
трансформатора: коэффициент трансформации п, потери ферромагнитного сер-
дечника (стали) ДРст, индуктивное сопротивление контура намагничивания х0
(рис. 1.5). При синусоидальной форме напряжения и потока, ток XX имеет не-
синусоидальную форму, за счет насыщения железа в области амплитуды пото-
ка. ЭДС рассеяния е18:

т . 1т ,, х т 1ш 81ПСО1 т т
е18= - Ь8(а1о/сп) = -Ь8---------= - 1тсоЬ8ео8Со1,

где соЬ8 = х.

При разомкнутой вторичной обмотке, остается первый контур, ЭДС рас-
сеяния в комплексной форме Е18 = -Дох1, активная составляющая ЭДС
Е1а = -1^. В первичной обмотке имеем три ЭДС: -Е1, Е18 = -Дох1 > Е1а = .

Идеальный тр-р.

(Без потерь в стали)

Реальный тр-р

/ V

//\ Ф(®1)

-X—А—«

а - угол магнит запазд.

За счет потерь магнет.

1оа< 10% от 1о

1о = (2-6%) от 1н у трансформаторов

Рис. 1.5. Ток холостого хода трансформатора
Напряжение на первичной обмотке в комплексной форме:

й1 - (Ё1 + Ё18 + Ё1а) - Ё1 + з‘10х1 + ; й1 - Ё^!^;

—— ^тХт ’ ^1 — ^тХт ^0Х1 ’

Е, = -АУ1(аФ/аг) = -ду^Фт51П(й1) = (О^ф.нйп^-л/?) = Е1ю5Ш(С01-л/2).

Так как напряжение, приложенное к первичной обмотке синусоидальной,
то и магнитный поток изменяется по синусоидальному закону, отставая от ЭДС
Е1т на угол л/2. Действующие значения ЭДС обмотки:

2л

Е,тах= со^1Фт = 27^^; Е! = -^Г1\У1Фт; Е! = 4,441ЖФт;

Е2 = 4,446АУ2Фт; к = Е1/Е2 = И1/И2, при XX И2 = Е2; 1Д « Ек

2. Потери при холостом ходе трансформатора. Мощность потребляемая
трансформатором при XX идет на покрытие в обмотках ЛРобм и стали ДРСТ.

Постоянные потери в обмотках Робм = гДо2 + гД22 = гДо2 « 0. Эти потери ма-
лы и ими можно пренебречь. Поэтому, мощность при XX трансформатора идет
в основном на покрытие потерь в стали, т. е. гистерезис и вихревые токи в маг-
нитопроводе. Рст пропорциональны ГД2 и близки к номинальным. Они не зави-
сят от нагрузки и могут быть рассчитаны при известных значениях И, I, со8ф.

3. Схема замещения трансформатора при холостомходе. Исследование
работы трансформатора упрощается, если действительный трансформатор, в
котором обмотки связаны между собой электромагнитно заменить схемой эле-
менты которой связаны между собой только электрически (рис. 1.6). Такая схе-
ма называется схемой замещения трансформатора. Схема замещения должна
удовлетворять основным уравнениям ЭДС и МДС трансформатора, где аЬ -
цепь намагничивания; 2т, гт, хт параметры цепи намагничивания, которые
определяются в режиме XX.

Определение параметров 2т, хт, гт экспериментально (рис. 1.7). Первич-
ная обмотка присоединена к сети переменного тока, вторичная обмотка разо-
мкнута. Ток 6 и И1 определяются по показаниям А и V, Рст= ИДсовср:

С08ф = Рст/8; 8 = ИДь

Цн Ёо I 2 ~2

= —м;г0 = -у;х0= <х0-г0 ;

хо хо

т. к. Г]« ГтХ1

_Цн. _Р0.

чп? ТО 2т~20 , Гт ® Го 2 ’ Хт

Ч) 1о

2о - Го •
Рис. 1.6. Схема замещения трансформатора, работающего в режиме холостого хода

Рис. 1.7. Схема для экспериментального определения параметров трансформатора

Из опыта XX определяем: коэффициент трансформации к при разомкнутой
вторичной обмотке; параметр цепи намагничивания: активное и индуктивное со-
противления в контуре намагничивания: хт, хт, гт; постоянные потери на актив-
ном сопротивлении в стали, ферромагнитном сердечнике г0 = ДРстКт = ДРст/102; ин-
дуктивное сопротивление контура намагничивания хт= - г02 ; С08ф = Рст/И110 -
угол сдвига между И1 и 1хх.

1.4.2. Работа однофазного трансформатора под нагрузкой

1. Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к пер-
вичной.

Так как в общем случае XV1 ХУ2, Е1 Е2, и т. д., то разным XV и Е соответ-
ствуют разные и параметры. Это затрудняет производить количественный ана-
лиз процессов, происходящих в трансформаторе и построение векторных диа-
грамм. Обычно приводят параметры вторичной обмотки к числу витков XVI, по-
этому

Е'2 = ЕьЕ2 -> Е'2; = А = к; Е'2 = Е2-к; 12^Г2; Е'2Г2 = Е212; Г2 = 12 Ь. = Е;

Е2 XV 2 Е2 к
Г2 = Ь/к; Г2^г'2; Г2 2г2 = 12г2; г2 = г2

Х2

= к2; х 2 = х2-к2; х 2 = х2-к2.

= г2к2; х2= Ь2= АУ22;

Далее в схемах замещения и векторных диаграмм будем использовать
приведенные параметры.

Рис. 1.8. Работа трансформатора под нагрузкой

2. Физические процессы в трансформаторе при работе под нагрузкой.

Вторичный ток 12 по закону Ленца создает поток, вторичный потоку Фо.
Суммарный поток Фо уменьшает Еь и из сети будет протекать такой дополни-
тельный ток, который скомпенсирует поток вторичной обмотки, который будет
равен потоку при XX. Вторичная обмотка создает нагрузочную силу Р2= 12УУ2.

Намагничивающая сила трансформатора при нагрузке

Р1 - Ро + (-р2); Ро = Р1 + Р2; Ш + 12уу2;

т. е. для сохранения неизменности потока необходимо, чтобы при нагрузке
сумма ампервитков первичной и вторичной обмоток трансформатора по вели-
чине была равна ампервиткам трансформатор при XX.

. - Ж......................

1о=11+12Т7г;1о=11+12;11=1о+(-Р)-

Основной поток Фо создается малой магнитной силой 1()\У 1, но при малом
магнитном сопротивлении, достигает большой величины поток рассеяния. Ф8
создается большой намагничивающей силой - 1^1, но т. к. он проходит, в ос-
новном, по маслу, то величина его мала.

Построим векторную диаграмму трансформатора, работающего под
нагрузкой.
3. Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке.

Запишем основные уравнения ЭД С и токов.

И1 = -Ё1 + 11г1; = 10 + (—12 ); Фо —> Ё2 ; Ё28 = — Д2 х2 ; Ё2а = —12 г2 ;

Ц^2 — Е2 “И Е2$ “Ь Е2а — Е2 Д2 ^2 ^2 ^2 ’ ^2 — ^2 ^2 22 ’ СТ2 — ^2 ^НГ ’
^2 = ^(22 + 2Нг) •

На основе этих уравнений строится векторная диаграмма (рис. Е9).

4. Схема замещения трансформатора при нагрузке. Как отмечалось,
трансформатор представляет собой две независимые электрические цепи связь
между ними электромагнитная. Для упрощения расчета трансформатора при-
меняют схемы замещения, которые эквивалентны реальным трансформаторам.
Поскольку вторичная обмотка приводится к первичной, то обе обмотки совме-
щают в одну, по которой протекает ток 10. Объединенная обмотка создает ос-
новной магнитный поток.

Схема замещения (рис. ЕЮ) отвечает основным уравнениям ЭД С и
намагничивающей силе реального трансформатора,

-Е

— Ёз + 11г1 ; = 10 + (—12); 10 = -; Ё2 = 12 (22 + 2нг) •>

2т

откуда

Ё1 । _ Ео —Ёх • Г 1 1

—Г---Г— —-----1 Г-----Г — —^1--' ]---]

22 + 2Н 2т 22 +2НГ к2т 22 + 2Ш\
11

1 1

-----'--Г----Г--

2т 22 +2НГ

й1-1121+ 1 1 । -I]

2т 22 +2Н

2т 22 +2Н 7

- 112экв ’

1 1

2ЭКВ “ 21

1 1

------1-----------

2т 22 + 2Н

где ^2 +2н _ сопротивления вторичной обмотки и нагрузки соединены по-
следовательно,

хт - сопротивление объединенной обмотки соединено параллельно с
(22 + 2НГ ),

71 - сопротивление первичной обмотки соединено последовательно с па-
раллельными ветвями.

Схема позволяет анализировать работу реального трансформатора

-12 Со “^2 22 1о 11 •

Рис. 1.10. Схема замещения трансформатора при нагрузке

1.4.3. Режим короткого замыкания однофазного трансформатора

Необходимо различать два режима короткого замыкания (КЗ) рис. 1.11.

1. Аварийный режим - вторичная обмотка замкнута при номинальном
первичном напряжении. При таком замыкании токи возрастают в 15-20 раз.
Обмотка при этом деформируется, а изоляция обугливается, создавая тяжелый
режим работы. При аварийном коротком замыканиизащита отключает транс-
форматор от сети.

2. Опытный режим КЗ - это режим, когда вторичная обмотка накоротко
замкнута, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение,
когда по обмоткам протекает номинальный ток. Это напряжение короткого за-
мыкания Ик.
Ик выражается в %:

1)к% = ^100 %.
Ун

Для малых трансформаторов Ик% = 5,5, для средних и больших транс-
форматоров Ик% = 10,5.

Рис. 1.11. Режим короткого замыкания однофазного трансформатора

1. Рассмотрим физическую сторону работы трансформатора при ко-
ротком замыкании. При Иф!о = (24-5)% 1Н, при ИНФ 20 раз 10 - очень мал в 15-
20 раз и им можно пренебречь + Г2 = 10 = 0, 11 = -Г2 , = -Г2 т. е. намагни-

чивающая сила первичной обмотки полностью уравновешенна намагничиваю-
щей силой вторичной обмотки.

2. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании.
Основные уравнения и векторная диаграмма трансформатора при коротком за-
мыкании представлена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании

Цк _ Ё1К +, 11 - 12 , Ё2К -12 22 ’ Ё2К + Ё28 + Ё2а - 0;
^2К Л2 Х2 2 Г2 Ё2К - Ё1к .

Параметры короткого замыкания: хк = х1 + х2 \ гк = Г1 + г2 » хк = х1 + х2 .

3. Схема замещения трансформатора при коротком замыкании.

Схема замещения трансформатора при коротком замыкании представлена
на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Схема замещения трансформатора при коротком замыкании

Ё1К = Ё2К = 12 х2 , тогда первое уравнение запишем как
ЁГ1К = -Г2 х2 +11г1 = = ^(^+2'2) = = ^1к , откуда следует, что схема

21 + 22

замещения при коротком замыкании представляет собою цепь, состоящую из
двух последовательных сопротивлений.

4. Потери при коротком замыкании. При коротком замыкании транс-
форматор потребляет из сети активную мощность. Эта мощность в основном
идет на покрытие потерь в обмотках. Потерями в стали можно пренебречь т. к.
В = И; рмг = В2 т. к. Иф 15-20 раз, то потери в стали Ф в 400 раз.

Потери на активном сопротивлении обмоток равны номинальным

Робм= 11 кН + 12кГ2 = ЁнГ1 + ЁнГ2 ) = ЁГК •

5. Экспериментальное определение параметров короткого замыкания.

Экспериментальное определение параметров короткого замыкания полу-
чают по схеме представленной на рис. 1.14. Зажимы вторичной обмотки замы-
каются накоротко. Ик = (5^-10 %)ИНОм, поэтому потери на магнитопроводе, про-
порциональные И2, малы и ими можно пренебречь; ток на магнитопроводе
можно принять равным нулю. Определяют Рк, И, Ик, а затем рассчитываются

6. Треугольник короткого замыкания. Используя схему замещения транс-
форматора при коротком замыкании (рис. 1.15) получим

Ча=1Г1+1Г2 =Ь(Г1 + Г2 ) = Цк> И = Л1Х1 + Дх2 = Л1(х1 + х2 ) = Л1ХК>
- ЬГК + ЛХК - МГ[< + 3Хк) - ^12К’

Ик - представляет собой полное падение напряжения в обеих обмотках
трансформатора. Ик% = 5,54-10,5 %. При большем Ик% - большое падение
напряжения на обмотках. Если сделать его малым, то будут большие токи ко-
роткого замыкания.

Рис. 1.14. Экспериментальное определение параметров короткого замыкания

1.5. Совмещение режимов

Характеристики трансформатора при нагрузке определяют его рабочие
свойства. Эти характеристики непосредственно можно получить только для
трансформаторов небольшой мощности. Для трансформаторов средней и боль-
шой мощности характеристики при нагрузке определяют косвенным путем, т. е.
путем наложения данных опыта короткого замыкания на режиме холостого хода.

Путем наложения треугольника короткого замыкания на режим холостого
хода получим режим нагрузки, т. е. напряжение И'2 и угол ф2 между потоками I
(рис. 1.16).

1. Потери при работе трансформатора под нагрузкой равны потерям
мощности при холостом ходе и коротком замыкании:

Пнг = Пхх + Пкз = Ро + Рэли-

Ток нагрузки трансформатора не равен току холостого хода и короткого
замыкания: холостой ход = 10; короткое замыкание = Г2; а при нагрузке
Ь = 10+(-112)-

2. Коэффициент полезного действия можно получить через данные полу-
ченные в опыте холостого хода и короткого замыкания:

_ Р1 _ Р1 "(Рмг +Рэл1д) _ | _ Рмг + Рэл1,2

п“р2“

при холостом ходе Ро = Рмг.
Рис. 1.15. Треугольник короткого замыкания

Рис. 1.16. Режим нагрузки

При коротком замыкании

РК=Рэл1,2 = 12гк; ₽ = -^-
^2Н

тогда рк = р211нгк = р2Ркн • При номинальном токе 1Н, рк = р2Ркн = Рэли

„-1-------2

Р$Н СО8 ф2 + Ро + Р Ркн
Задаваясь р = 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 при со8ф2 = соп§1 построим зависи-
мость т| = Г(р) (рис. 1.17).

Максимумы т| наступает тогда, когда потери в стали равны потерям в ме-
ди р0 = р2ркн, откуда

Относительные изменения напряжения ЛЮ. Изменением напряжения
трансформатора выраженным в % от номинального вторичного напряжения,
называется арифметическая разность между номинальным вторичным напряже-
нием при холостом ходе Ин и напряжением И2 при номинальном токе (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Изменение напряжения трансформатора

И2н Игн VI

При выводе используется предыдущая векторная диаграмма, расчет
проводится аналитически, определяем ДИ при номинальном токе, примем И1
равным 100 ед., т. е. И1 = 100, тогда ДИ = ^^—^-100 = 100 - И'9 , т. е. для
100

определения ДИ достаточно определить вторичное напряжение И2 .

Из ДО А р И2 = д/1002 -п^ - шк где шк = ре,

п = Ар /л/1002-п| =100. 1-ФМ = Ю0 1- —

к / к V 11о°7 иоо;

= 100

1 Л Л2

ПК |
2Ц00 >1

1 Л Л4

И ПК |

возможны первые два члена, т. е.

д/1002 -п^ =100

1 Г Л2
х 1 | ПК |

2Ц00 >1

, тогда И2 =100

1 Г Л2

! 1 [ пк ]
2^100^

х х 2 2

Ди = 100-Ы', =100-100 + —1^1 + тк; Д11 = тк +-^.

2 2 <100^ к к 200

Выразим ДИ через составляющие напряжения короткого замыкания.

шк = ас + ар = Ика сов ср2 + Икг 8*п Фз •> пк = АЬ - рЬ = Икг со8 ср2 - Ика 8*п Ф2 •>

тогда

ДИ = Ика СО8 ф2 + Икг 8Ш ф2 +

(Ц,;гСО8ф2-Цка8П1ф2)2

200

Последнее слагаемое - величина очень малая ею можно пренебречь, то-
гда ДИ = Ика со8 ф2 + Икг 81п ф2 . Это выражение для р = 1. При различных значе-
ниях р ДИ = Р(Ика со8ф2 + Икг 8Шф2). Из формулы видно, что ДИ зависит как от
величины, так и от характера нагрузки. Кроме того, видим, что для определения
ДИ используется данные, полученные из опыта короткого замыкания.

Используя это выражение, можно получить ряд характеристик при работе
трансформатора на нагрузку (рис. 1.19).

Видим, что, используя опыты холостого хода и короткого замыкания,
можно получить все характеристики трансформатора при нагрузке.
Рис. 1.19. Зависимости при работе трансформатора на нагрузку

1.6. Трехфазные трансформаторы

Трехфазный трансформатор представляет собой соединение трех одно-
фазных трансформаторов. Поэтому вся теория, рассмотренная для однофазного
трансформатора, относится и к трехфазному применительно к одной фазе. Но в
трехфазных трансформаторах есть свои особенности, которые мы рассмотрим
ниже. По конструкции трехфазные трансформаторы бывают в двух основных
видах.

1. Трансформаторы с независимой магнитной системой (групповые), где
каждая фаза трансформируется своим трансформатором (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Групповой трансформатор

2. Трансформаторы трехстержневые, где существует магнитная связь
между фазами (рис. 1.21).

Недостатки группового трансформатора: занимает большую площадь,
большая стоимость, меньший КПД. Преимущества: резерв достаточен на 1/3
установленной мощности, транспортный габарит меньше чем у трехстержнево-
го трансформатора.
Рис. 1.21. Трехстержневой трансформатор

Групповой трансформатор используется на большие мощности на тепло-
вых станциях. Трехстержневые трансформаторы используется в распредели-
тельных сетях на предприятиях. Первая особенность относится к трехстержне-
вому трансформатору (рис. 1.21). Поток в среднем стержне при холостом ходе
проходит путь меньший, чем в крайних стержнях, а это приводит к тому, что
токи в крайних стержнях на 40-50 % больше, чем в среднем при симметричном
потоке. Т. о. при холостом ходе токи представляют несимметричную систему,
модули не равны и угол не равен 120°. При нагрузке система токов по фазам
принимает симметричную систему (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Система токов по фазам при нагрузке

Вторая особенность. Связана со способом соединения обмоток. ГОСТом
предусмотрены следующие способы соединения обмоток звездой, треугольни-
ком и зигзагом, соответственно: X, А, 7. Обозначение фаз.

Начало концы

Обмотка высшего напряжения (ВН) А, В, С X, У, 7

Обмотка низшего напряжения (НН) А, Ь, с х, у, х

В трансформаторостроении ГОСТом предусматривают следующие спо-
собы соединения:

1) Х/Л-о для мелких распределительных трансформаторов (на предприяти-
ях);

2) Л/Л для трансформаторов средней и большой мощности;
3) Ло/А для трансформаторов большой мощности при повышенном
напряжении;

4) Соединение в зигзаг делается на стороне низкого напряжения (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Соединение обмоток трансформатора типа «зигзаг»

Соединения делается так, чтобы ЭДС этих полуобмоток вычиталось, для
этого необходимо конец одной части фазы соединить с концом второй части дру-
гого стержня. Такой способ применяется там, где существует резкая несимметрия
(точные трансформаторы, трансформаторы для выпрямительных устройств). При
таком способе соединения выравнивается магнитная несимметрия по стержням.

1.6.1. Группы соединения трансформаторов

Группой соединения трансформатора называется угол сдвига между ли-
нейными ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора. За первичную
обмотку принимают обмотку высокого напряжения. Группа соединения зави-
сит от: направлений намотки, маркировки концов обмотки, схемы соединения
обмоток. Группы соединения трехфазных трансформаторов (рис. 1.24 и 1.25).

360 : 30 = 12

АД - 12

12 гр.

4 гр.

8 гр.

АВС

ООО

а Ь с

ООО

с а Ь

° 120? °

Ь С а

Рис. 1.24. Соединение трансформаторов звезда к звезде
Группы соединения необходимо знать для включения трансформаторов
на параллельную работу:

1) соединение ЛА0 (рис. 1.24);

2) соединение Х/Д представлена на рис. 1.25.

Рис. 1.25. Соединение трансформаторов звезда к треугольнику

с а
?-120-У

11 гр.

3 гр.

7 гр.

Холостой ход трехфазного трансформатора. При изучении режима хо-
лостого хода трансформатора видим, что при подведенном синусоидальном
напряжении, кривые первичной ЭДС и основного потока не синусоидальны
(рис. 1.26), т. е. кривая тока наряду с первой гармоникой содержит сильно вы-
раженную третью гармонику. Посмотрим, как ток третьей гармоники будет
влиять на различные схемы соединения трансформаторов.

Рис. 1.26. Режим холостого хода трансформатора

1. Соединение обмоток трансформатора ЛА. При соединение трансфор-
матора в Л/Л без нулевого провода, токи 3-й гармоники протекать не будут, так
как они в любой момент времени направлены в одну сторону (рис. 1.27).

^ОЗА

= 1т 81П Зсо!, Ьозв = 1т 8Ш 3(со! — л) = 1т зт 3со!,

Ьозс = 1т 8Й13(со1 —л) = 1т зтЗсо!.
АВС

Рис. 1.27. Соединение трансформатора звезда к звезде без нулевого провода

Так как токи 3-й гармоники выпадают из кривой фазных токов, то поток
будет не синусоидален (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Магнитный поток трансформатора

Разложим его на гармоники (Ф(1), Ф(3)), т. е. в кривой потока появится по-
ток третьей гармоники. Посмотрим, как этот поток повлияет на групповой и
стержневой трансформатор при соединении их в ЛА.

2. Групповой трансформатор. В групповом трансформаторе поток 3-й
гармоники замыкается по тому же пути, что и основной поток, т. е. по малому
магнитному сопротивлению (рис. 1.29). Поэтому величина потока Ф3 достигает
15^-20 % от основного потока. Поток Ф3 наводит в фазах ЭДС ев, е23 с тройной
частотой Г3 = Г13, поэтому фазная ЭДС е23 достигает 40^-60 % от ЭДС первой
гармоники

Е23 = 4,443-1Ж2Ф3.

Рис. 1.29. Групповой трансформатор
ЭДС третьей гармоники накладывается на фазную ЭДС первой гармони-
ки Еь искажая ее и увеличивая на 40-60 % (рис. 1.30).

Рис. 1.30. Электродвижущая сила группового трансформатора

Такое повышение фазной ЭДС не желательно, так как возможен пробой
изоляции и перегорание потребителей рассчитанных на фазную ЭДС. Поэтому
групповой трансформатор по схеме ЛА не применяется.

3. Трехстержневой трансформатор. В трехстержневом трансформаторе
3-я гармоника потока не может замыкаться по магнитопроводу, т. к. во всех фа-
зах направлены в одну сторону (совпадают по фазе) (рис. 1.31).

Рис. 1.31. Магнитный поток трехстержневого трансформатора

Поэтому 3-я гармоника потока замыкается по маслу (воздуху), используя
на своем пути стальные конструкции (бак, крепежные детали и т. д.) Так как
магнитное сопротивление потокам 3-й гармоники относительно велико, то 3-я
гармоника потока в трехфазном трансформаторе относительно не велика и
наводимая этим потоком ЭДС так же не велика, поэтому искажение фазной
ЭДС практически нет. Однако, потоки 3-й гармоники замыкаясь по баку и кре-
пежным конструкциям наводят в них с тройной частотой вихревые токи, т. е.
увеличивает потери в стали так при индукции в стержне В = 1,6 Тл, потери уве-
личиваются на 50 % от основных.

4. Соединение обмоток трансформатора Д/Х. Видим, что Л представ-
ляет контур по которому, все три гармоники тока текут в одном направлении
(рис. 1.32). Но так как в каждой фазе присутствует ток третьей гармоники, то
кривая потока будет синусоидальной и наводимые фазные ЭДС будут также
синусоидальны.

Рис. 1.32. Соединение обмоток трансформатора в треугольник

Однако соединение первичной обмотки с Л невыгодно, т. к. Иф = Ил, то
изоляцию фазы необходимо выполнить на линейное напряжение (перерасход
изоляционных материалов), кроме того число витков фазы рассчитывается на
линейное напряжение, т. е. будет перерасход меди. Поэтому на практике при-
меняют соединение обмоток Л/ХД/Л.

5. Соединение обмоток трансформатора Х/Л. Соединение обмоток Х/Л не
имеет существенного отличия от Л/Х. Действительно, при соединении первич-
ной обмотки в звезду из кривой тока холостого хода выпадает 3-я гармониче-
ская тока, в силу чего поток имеет упрощенный вид. 3-я гармоническая потока
Ф3 наводит в каждой фазе вторичной обмотки 3-ю гармоническую ЭДС - Е2з,
отстающую от Ф3 на 90°. ЭДС Е2з создает ток 123 замыкающийся по вторичному
контуру треугольника и отстающий от Е23 почти на 90°, так как вторичный кон-
тур обладает большим индуктивным сопротивлением (рис. 1.33).

Рис. 1.33
Т. е. Ф13 Е2з 12з Фзз- Видим, что ток Ь23 находится почти в проти-
вофазе с Ф13, т. е. создает свой поток Ф23, который практически компенсирует
поток Ф13. Вследствие этого кривая результирующего потока и соответственно
фазная ЭДС приближаются к синусоиде.

6. Параллельная работа трансформаторов. Трансформаторы в сетях и
подстанциях чаще всего работают параллельно. Это обеспечивает надежность в
электроснабжении, дает возможность отключить трансформатор на профилак-
тику и в аварийной ситуации. Кроме этого при изменении графика нагрузки в
течение суток для повышения КПД установки можно включать и отключать
часть трансформаторов.

Для 3-х фазных трансформаторов ставятся при условиях, выполнение ко-
торых обеспечивает нормальную работу трансформаторов.

1. Напряжения первичных и вторичных обмоток трансформаторов долж-
ны быть одинаковыми, т. е. Кт = Кп = Кш = • • •

2. Напряжения короткого замыкания параллельно работающих трансфор-
маторов должны быть одинаковыми, т. е. Ищ = Ики = Икш-

3. Группы соединения параллельно работающих трансформаторов долж-
ны быть одинаковыми. Кроме того, мощность параллельно работающих транс-
форматоров не должна отличаться более чем в три раза.

А. Параллельная работа трансформаторов при неравенстве коэффициен-
тов трансформации. Начнем с того, что К| = Кп(рис. 1.34). При равенстве К| = Кп
вторичные ЭДС Е21 и Е2П равны и по контуру направлены встречно и их сумма
равна 0 т. е. при этом не будет никаких уравнительных токов. Если К| < Кп т. е.
Е21 > Е2П(И21 > Игп), то в этом случае при холостом ходе сумма напряжений по
контуру не равна нулю, а значит будет уравнительный ток.
Поскольку учтем только индуктивные сопротивления, активные малы,

тогда I =----—, I - создает в обмотках потоки, которые создают ЭДС

ХК1 + ХКП

и -з1урпхк11 > которые выравнивают напряжение на шинах до И2. Диа-

грамма при холостом ходе показана на рис. 1.35.

Рис. 1.35

Уравнительный ток существует и при нагрузке. Он будет для каждого
трансформатора складываться с нагрузочным током геометрически. Из диа-
граммы видно, что в том трансформаторе, где К| меньше (напряжение больше)
трансформатор перегружен наоборот. Т. е. получается, что первый трансформа-
тор перегружен, а второй недогружен. Для того, чтобы разница в нагрузке была
в допустимых пределах, часто предусматривают, чтобы разница в коэффициен-
тах трансформации была не более 0,5 % от их среднего значения.

Лк =

100 < 0,5,

где к = Лук1кп - среднее геометрическое.

Если трансформатор меньшей мощности включается в параллельную ра-
боту, то он должен иметь больший коэффициент трансформации.

Б. Параллельная работа трансформаторов при неравенстве напряжений

I х
короткого замыкания. Напряжения короткого замыкания Ик = н к 100 %.

Ин

Предположим, что Щ > Икп, т. е. > 2кП, тогда при одном и том же токе
нагрузки падение напряжения 1нхк1 будет больше 1нхкП. Поэтому внешняя харак-
теристика трансформатора I будет расположена ниже (рис. 1.36).
Если возьмем внешние характеристики совместной работы трансформа-
торов, то увидим, что трансформатор II будет перегружен, т. о. у трансформа-
тора, где Ик больше, там ток меньше, где Ик меньше, тот возьмет на себя боль-
шую нагрузку.

Рис. 1.36

Так как при параллельной работе напряжение изменится у обоих транс-

I х
форматоров на одинаковую величину -ДИ, то ЛИ = 1д2п, откуда— =

!ц 2к!

т. е. распределение токов обратно пропорционально сопротивлениям короткого
замыкания. Поскольку 8 = И1, при И = соп§1, то 8 = I, тогда

1нп2кп |00

^1 _ $1 _ ^Н________^НП . $1 _ Ц[<П $Н1

1п 8П 1ш2к1 .100 8П Иы 8НП

Если параллельно работают несколько трансформаторов, то нагрузка
каждого из них определяется, как

т т Х^ ^номХ

КХ^ тт
и КХ

где 8 — 8Н0М! + 8Н0Мп + 8Н0Мш +...

Х'' ^номХ _ ^ном! । ^номП । ^номП! ।
ъгкх “ ык1 ггк11 ик1П

8Х - мощность нагрузки холостого хода трансформатора,

$номх? Икх - номинальная мощность и напряжение короткого замыкания
этого трансформатора.
В. Параллельная работа трансформаторов с различными группами со-
единения. У трансформаторов, имеющих одинаковые группы соединения, вто-
ричные ЭДС совпадают по фазе. У трансформаторов с различными группами
соединения вторичные ЭДС могут быть равными по величине, однако, они все-
гда сдвинуты по фазе. Поэтому даже при совершенно одинаковых коэффициен-
тах трансформации во вторичных обмотках появится уравнительный ток.

Возьмем для примера 12 и 11 группу (рис. 1.37)

др р

ДЕ = 2Е218ш15° = 0,52Е2ь тогда 1 =--= 0,26^-,

2хк 2К

что составляет 26° от установившегося тока короткого замыкания, что пример-
но в 3-5 раз превысит номинальный ток.

Поэтому параллельная работа трансформаторов с различными группами
соединения недопустима.

1.6.2. Переходные режимы трансформаторов

Виды переходных трансформаторов

При всяком изменении одной или нескольких величин, определяющих
работу трансформаторов - напряжения, частоты, нагрузки и т. д., происходит
переход от одного установившегося состояния к другому. Обычно этот переход
длится очень короткое время, но он сопровождается опасными для трансформа-
тора эффектами - большими механическими усилиями между обмотками, не-
равномерным распределением напряжения между витками трансформаторе,
нагревом обмоток и др.

Смотря по тому, какой фактор - ток или напряжение определяется в ос-
новном переходном режиме, различают две группы явлений:

1) явления сверхтоков;

2) явления перенапряжений.
Исследование этих явлений имеет весьма важное эксплуатационное зна-
чение. Переходные процессы сверхтоков возникают при включении трансфор-
маторов: а) в холостую, б) при коротком замыкании.

А. Переходный процесс при включении трансформатора в холостую.

а) Включение трансформатора с ненасыщенной сталью. Включение
трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой представляет собою вклю-
чение катушки со сталью в цепь синусоидального напряжения (рис. 1.38).

Рис. 1.38

Предположим, что трансформатор включен в момент, показанный на рис.
1.38 (а0), где ГД - мгновенное значение напряжения; И1т - амплитуда напряже-
ния. Тогда И1 = И1т8т(сэ1 + а0), а уравнение ЭДС первичной обмотки может
быть написано в виде

Ц = И1т 8Ш(®1 + а0) = 10Г! +

а!

где 1о - ток включения холостого хода трансформатора;

10Г1 - составляющая напряжения уравнения противодействие ЭДС сопро-
тивления;

- составляющая напряжения, которая уравновешивает ЭДС само-
61

индукции, созданную основным потоком и потоком рассеяния.

Решение этого дифференциального уравнения относительно 10 дается в
ТОЭ в разделе «Теория переменного тока».

И ц- —

10 = '<1уст + 'опер = /С” 5'11(0)1 + ао + Фо) + / , 51П(Фо “ «о )еТ,

у Г] + СО П ] у Г] + СО П ]

Т Ь1

где Т = — - постоянная времени затухания.

Г1
В трансформаторах х » г, поэтому ср0 « л/2 « 90°, тогда формула примет
упрощенный вид

И Ц —

>о = 1уст + *пер = ~ , 1т-=СО8(®1 + а0) + , 1т--усо8а0е Т .

7г1 +(®ь1) 7г1 +(®е1)

Видим, что ток и поток состоят из 2-х составляющих, где 1уст - устано-
вившегося тока, изменяющегося по синусоидальному закону 1пер = 1СВ - пере-
ходный ток, который в момент включения имеет ту же амплитуду что и 1уст, но
представляет собою апериодическую функцию времени, затухающую с посто-
янной времени т = Ц/гр

Характер протекания переходного процесса определяется моментом
включения трансформатора (а0).

1. Включение трансформатора в момент, когда осо= 0,1 = 0, Ц = 0, тогда
; -____________Ы1т____.____Ц1т____ А т р ; = _ т ; = т

10 — -----у ------------у с- АУСТ Апер Аш.

+ СОЦ дЦ + СОЦ

В момент включения ток 10 = 0.

Роль Цр и состоит в том, чтобы в момент включения катушки со сталью в
сеть обеспечить это условие. Из рис. 1.39 видно, что при включении в сеть
трансформатора ненасыщенного в момент, когда 171 = 0, амплитуда сверхтока
холостого хода достигает в предельном случае двойного значения амплитуды
установившегося тока холостого хода через л/2 (рис. 1.39). Аналогичны кривые
для потока.

Рис. 1.39

2. Включение трансформатора в сеть в момент ос0 = л/2, Ц = Цт , Ц = 0,
1о = 1уст= 0- Переходного процесса как такового не будет, и процесс в первый же
момент времени будет равен 0 (рис. 1.40).
б) Включение трансформатора с насыщенной сталью. Если сталь транс-
форматора насыщена, то картина переходного процесса не изменится в отно-
шении потока (Ф), т. к. из условия равновесия ЭДС значение этого потока
определяется для любого момента времени подведенным напряжением - Иь 1Д
уравновешивается Е, а ЭДС наводится потоком Ф. Но ток включения холостого
хода будет другой, так как при насыщении стали он растет значительно быстрее
потока (рис. Е41).

Включение трансформатора при ос0 = О, I = О, 1Д = 0. Так как через время
соответствующее л/2, поток достигает в пределе двойной амплитуды, то удар-
ный ток холостого хода по отношению к амплитуде 1от возрастает в 50-80 раз

Ь^ = 50^80раз.

То™

Данный ток не опасен с точки зрения нагрева, но может привести к лож-
ному срабатыванию защиты (рис. Е42).

Б. Переходный процесс при коротком замыкании трансформатора. Рас-
смотрим аварийное короткое замыкание при Е = Ц, (рис. Е43). При аварийном
коротком замыкании токи во многом превышают номинальный, а ток холостого
хода очень мал, поэтому им можно пренебречь. Все напряжения уравновешенны
падением напряжения в обмотках трансформатора. Отсюда мы приходим к той
же схеме замещения, что и при опытном коротком замыкании.

Рис. 1.42

Уравнение ЭДС:

Ц=Чт(^ + ак)=1кГк+Ек^Г,
СП

где Ьк - индуктивность, определяемая потоком рассеяния.

Решение этого уравнения относительно 1к при срк« л/2,

__1_

1К = 1КУст + Сев =-1 1т = С08(С01 + ак) + . 1т =СО8ССке Тк =

к куст ксв / ? , ч2 /? / \2

7г1 +(юЬ1) 7г1 +(юЬ1)

= -1 -л/2со8(со1 + 01 ) + Ел/2со8ОС е Тк,

К х К ' к К у

где Тк= —:

Гк

а) включение в момент когда а,< = л/2, С, = С|т, Г = 0. Наступит сразу ре-
жим установившегося короткого замыкания (рис. 1.44).
б) включение в момент когда ос,< = О, 14 = О, I = 0.

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания будет равна
амплитуде установившегося тока короткого замыкания. Через л/2 ударный ток
в пределе может достигнуть двойной амплитуде установившегося тока, корот-
кого замыкания (рис. 1.45).

Коэффициент трансформации при КЗ представляет отношение 1куд к ам-
1[<уд 1[<уд Т7

плитуде тока короткого замыкания = —— = Кк.

1Кт 1Кл/^

В пределе К = 2, реально Кк = 1,3 - для малых трансформаторов, и
К1х= 1,74-1,8 - для трансформаторов большой мощности. Эта кратность дается
по отношению амплитуды установившегося короткого замыкания. Ток корот-
кого замыкания 1к = (10—20)1н, поэтому 1куд = л/2(104-20)1нКк. Этот режим очень
опасен в динамических действиях. Создается большой динамический удар. Ме-
рой борьбы является расчет этих динамических ударов и надежное крепление
катушек, а так же безупречная защита.

Переходные процессы, вызванные перенапряжением

Перенапряжения, т. е. повышение напряжения возможны на шинах
трансформаторов, вызванное явлениями атмосферного характера, при коротких
замыканиях в сети, при включении и выключении трансформатора на сеть
49
ит. д. Во всех этих случаях возникает электромагнитная волна, распространя-
ющаяся со скоростью света, которая достигнув трансформатора, частью отра-
жается, частью проникает в трансформатор (рис. 1.46).

Рис. 1.46

Самый опасный случай, когда волна имеет форму, приближающую к
прямоугольной. Действие такой волны воспринимается трансформатором, как
действие периодической волны большой частоты, при увеличении которой
наклон синусоидальной кривой становится все круче и в пределе приближается
к вертикали. В этих условиях трансформатор ведет себя совершенно иначе, чем
при установившемся режиме. До сих пор, говоря о трансформаторе мы имели в
виду только индуктивные сопротивления хь = сэЬ. В действительности суще-
ствует еще и емкостные связи (рис. 1.47).

Рис. 1.47

В упрощенном виде

Собк= —,Собз = пкС30,
П.

где Ск - емкость между соседними катушками,
Сзо - емкость катушки на земле.
Входная емкость трансформатора Стр = ^Собк • Собз .

Т7 1 1

Емкостное сопротивление хс =------=-------, при нормальной частоте

соСтр 2лГСтр

настолько велико по отношению Хь = 2лГ1Е, поэтому ток практически проходит
по Хь.

По мере увеличения частоты соотношение Хь и Хс изменяется, Хь увели-
чивается, Хс - уменьшается. При Г « оо, Хь « ш, Хс = 0 ток протекает только по
емкостным связям, минуя обмотку. Процесс зависит от того, заземлена
нейтраль или нет.

Перенапряжения в трансформаторе с заземленной нейтралью (рис. 1.48)

Так как ток протекает только по емкостным связям, то процесс распреде-
ления волны сводится к зарядке системы конденсаторов. Различают два пре-
дельных случая распределения напряжения в момент времени 1 = 0:

а) когда есть емкости только междукатушечные - Ск,

б) когда имеются емкости только на землю - Сзо.

В первом случае емкости с соединены последовательно и ток течет одной
и той же величины; т. к. САв = СВс = ССп, то получаем равномерное распределе-
ние напряжения, что имеет место и при установившемся режиме, следователь-
но, является наиболее благоприятным рис. 1.48, кривая (1). Во втором случае
весь ток протекает только через первый сверху конденсатор (т. к. Хь = оо) кри-
вая (2), т. е. напряжение падает на первую катушку, а следовательно во много
раз больше номинального. Это может привести к пробою первых катушек.

Реально существуют одновременно обе емкостные связи и напряжение И
находится между этими пределами кривая (3). Здесь на первой виток приходит-
ся не все напряжение, но все же ДИ настолько значительное, что может про-
изойти пробой. Поэтому у трансформаторов на 35 кВ и выше первые катушки
выполняются с усиленной изоляцией. Кривая (3) дает распределение напряже-
ния в момент 1 = 0, установившийся режим - (1). Так как трансформатор состо-
ит как бы из системы С и Ь, которые создают резонансные контура, то переход
от начального распределения (3) к установившемуся (1) происходит в результа-
те колебательного процесса. Следовательно, после момента времени 1 = 0 (3)
наступает момент (4), и конечные витки могут быть под повышенным напря-
жением. В дальнейшем процесс будет затухать за счет активного сопротивле-
ния обмоток, хотя опасность пробоя возможна для любого витка.

Перенапряжения в трансформаторе с изолированной нейтралью
(рис. 1.49)

В начальный момент распределения напряжения в трансформаторе с за-
земленной нейтралью при установившемся режиме все точки обмотки находят-
ся под одним и тем же напряжением Ил кривая (2). Так как трансформатор со-
стоит из контуров С, Ь происходит колебательный процесс, которому соответ-
ствует кривая (3), затем за счет активного сопротивления процесс затухает. По
сравнению с предыдущим случаем пределы колебаний напряжения гораздо
шире, и в этом основной недостаток систем с изолированной нейтралью. По-
этому у трансформаторов нейтраль обычно заземляют.

Рис. 1.49

Меры защиты от перенапряжений. Усиливают изоляцию входных кату-
шек, но при этом ухудшается теплоотдача и уменьшается плотность тока. Уве-
личивают сечение в 2 раза. Перенапряжение вызывается резонансными конту-
рами, т. е. трансформатор резонирующий. Чтобы сделать трансформатор не ре-
зонирующим нужно устранить действие емкостей на землю Сзо, оставив только
междукатушечные емкости Ск. В этом случае переход к установившемуся ре-
жиму происходит без колебаний напряжения или с ограниченными колебания-
ми. Устранить емкость на землю конечно нельзя, но можно скомпенсировать.
Для этой цели устраиваются экраны, находящиеся под напряжением и изолиро-
ванные от обмотки (рис. 1.50).
Рис. 1.50

Применяются концентрические многослойные обмотки, где емкость меж-
ду слоями значительно превосходит емкость на землю. Для защиты трансфор-
матора также используется разрядники.

1.7. Вопросы для самопроверки

1. Устройство трансформатора.

2. Принцип действия трансформатора.

3. Магнитные потоки.

4. Нарисуйте схему опыта холостого хода трансформатора.

5. Перечислите условия проведения опыта холостого хода трансформатора.

6. Нарисуйте схему замещения трансформатора в режиме холостого хода.

7. Как рассчитать по показаниям приборов параметры схемы замещения?

8. Укажите, какую мощность можно определить из опыта холостого хода.

9. Нарисуйте схему опыта короткого замыкания трансформатора.

10. Перечислите условия проведения опыта короткого замыкания транс-
форматора.

И. Укажите, какую мощность можно определить из опыта короткого за-
мыкания.

12. Нарисуйте схему замещения при коротком замыкании трансформатора.

13. Покажите, как по показаниям приборов определить параметры схемы
замещения короткого замыкания трансформатора.

14. Что называется напряжением короткого замыкания трансформатора?

15. Чему равно напряжение короткого замыкания трансформатора?

16. Напишите формулы для определения активной и реактивной составля-
ющих напряжения короткого замыкания.

17. Изобразите внешнюю характеристику трансформатора.

18. Перечислите мощность потерь в трансформаторе.

19. Запишите формулу КПД трансформатора.

20. Поясните, как зависит КПД трансформатора от нагрузки.
ГЛАВА II. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

2.1. Основные понятия и функции

Электропривод - это система, которая преобразует электрическую энер-
гию в механическую, совершает при этом работу и контролирует процесс пре-
образования. Схема электропривода содержит электрический двигатель с аппа-
ратурой управления и контроля, органы передачи энергии от двигателя к про-
изводственному механизму и сам производственный механизм. Основные
функции электропривода:

а) включение и отключение двигателя от сети питания;

б) управление и (или) контроль необходимых характеристик, таких как:
частота вращения, момент, мощность, ток и т. д. во время пуска и тор-
можения, в процессе регулирования скорости.

Функция защиты двигателя специальная, она существует для любого типа
электропривода. Поэтому будем рассматривать двигатель всегда с элементами
защиты. Блок-схемы на рис. 2.1 - 2.3 иллюстрируют основные типы электро-
привода.

Рис. 2.1

На рис. 2.1 представлена простейшая схема электропривода с заданны-
ми элементами управления и без контроля параметров процесса. Рис. 2.2 де-
монстрирует разомкнутую схему с контролем процесса преобразования, но
без обратной связи. На последней блок-схеме (рис. 2.3) представлена замкну-
тая автоматическая схема с обратной связью.

Рис. 2.2

Схема электропривода имеет три основных элемента:
1) электродвигатель;
2) нагрузка (производственный механизм);

3) управление и контроль (контроллер).

Рис. 2.3

2.2. Механические характеристики электрических двигателей
и производственных механизмов

2. 2.1. Условие устойчивого функционирования электропривода

Механическая характеристика М = Г(п) - это основная характеристика для
выбора схемы электропривода. Основными критериями выбора является ста-
бильность и экономичность.

В зависимости от своих механических характеристик производственные
механизмы (нагрузка) делятся на следующие группы (рис. 2.4):

1) постоянный момент сопротивления (подъемные краны, транспортеры,
лифты и т. д.) кривая 1;

2) линейно-возрастающий момент сопротивления (мельницы, насосы,
электрические пилы и т. д.) линия 2;

3) нелинейно-возрастающий момент сопротивления (вентиляторы, сме-
сители, центрифуги, компрессоры и т. д.) кривая 3;

4) нелинейно-спадающий момент сопротивления (например: металлоре-
жущие станки и прокатные станы) кривая 4.

Различными, механическими характеристикам, обладают также различ-
ные электрические двигатели (рис. 2.5):

1) синхронные двигатели (кривая 1);

2) асинхронные двигатели (кривая 2);

3) двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением (кривая 3);

4) двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением (кри-
вая 4).

Электропривод работает в точке, где пересекаются механические харак-
теристики двигателя и производственного механизма (нагрузки). Назовем мо-
мент нагрузки Мс (моментом сопротивления), а вращающий момент двигателя
Мд.
Рис. 2.6 демонстрирует два случая: устойчивой и неустойчивой работы
системы (точка Р).

В первом случае, Мд = Г(п) и МС1 = Г(п), какое-либо изменение частоты
вращения вызывает возврат в точку Р. Например, когда частота вращения
уменьшается до пь вращающий момент Мд увеличивается, тогда как момент
сопротивления МС1 уменьшается. В этом случае результирующий момент уско-
ряет систему и возвращает ее к частоте вращения пр. Если частота вращения
увеличится до п2, вращающий момент Мд станет меньше момента сопротивле-
ния МС1 возникает торможение системы и возврат к частоте вращения пр. В слу-
чае Мд = Г(п) и Мс2 = Г(п), уменьшение частоты вращения до щ вызывает появ-
ление тормозного момента, который еще больше уменьшает частоту вращение
до полной остановки системы. С другой стороны, если частота вращения уве-
личится до п2, вращающий момент становится больше момента сопротивления,
и система идет в «разнос». Разность Мд - Мс2 = Муск называется момент ускоре-
ния.
Формула 1 =--------- (п2 -пЛ дает нам связь между: I - временем раз-

Муск-60

гона [сек], I - моментом инерции [Н м (сек)2], Муск - моментом ускорения [Н м],
п - частотой вращения [1/сек].

Эта формула обычно используется для расчета времени пуска или тормо-
жения электропривода.

2.3. Классификация электрических машин

Рис. 2.7
Различные типы электрических машин могут быть классифицированы по-
разному, например:

1) двигатели и генераторы;

2) постоянного, переменного и пульсирующего тока;

3) большой и малой мощности (микромашины). Для электропривода
можно использовать например классификацию «дерево электрических
двигателей» (рис. 2.7).

2.4. Вопросы для самопроверки

1. Что такое электропривод?

2. Что содержит схема электропривода?

3. Основные функции электропривода?

4. Из чего состоит простейшая схема электропривода?

5. Сколько основных элементов имеет схема электропривода?

6. Что такое механические характеристики электрических двигателей?

7. На какие группы в зависимости от своих механических характеристик
делятся производственные механизмы?
ГЛАВА III. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1. Устройство машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока (МПТ) реверсивны, т. е. могут
работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных ча-
стей: неподвижной называемой статором предназначенной для создания маг-
нитного поля и вращающейся называемой якорем (ротором).

Схематически устройство МПТ представлено на рис. 3.1.

Статор состоит из стального корпуса (сердечника) и двух главных полю-
сов М, 8 на которых расположены катушки с обмотками возбуждения. Обмотки
возбуждения, питаясь от внешней цепи, создают основной рабочий магнитный
поток Фр, пронизывающий якорь и две половины корпуса статора. Главные по-
люсы Ы и 8 имеют полюсные наконечники, обеспечивающие большую площадь
зазора между сердечниками и полюсами с одинаковой магнитной индукцией и
постоянной ЭДС в обмотке якоря.

Перпендикулярно оси полюсов проходит геометрическая нейтраль
(ГН).

Якорь закреплен на валу и вращается в неподвижном магнитном поле
статора.Внешний диаметр сердечника ротора меньше внутреннего диаметра
статора, и это пространство образует воздушный зазор.

Обмотки. На внешней поверхности якоря сделаны пазы, в которые уло-
жены обмотки, изготовленные из медного изолированного провода, каждые два
проводника образуют виток. Несколько витков соединяются в секцию. Выво-
ды обмотки секции соединяются с соседними пластинами коллектора.

Коллектор собран из медных изолированных пластин и насажен на ось
якоря. Количество пластин равно числу секций обмотки якоря. Важнейшее
назначение коллектора - в преобразовании направления тока.

Щетки изготавливаются из графита и устанавливаются в щеткодержате-
лях. За счет специальных пружин щетки прижимаются к коллектору осуществ-
ляя скользящий контакт между вращающейся обмоткой и внешней цепью.
Щетки располагаются на геометрической нейтрали (ГН). В генераторе кол-
лектор и щетки соединяют вращающуюся обмотку якоря с внешней электриче-
ской цепью и преобразуют изменяющийся по направлению ток обмотки якоря в
постоянный по направлению ток внешней электрической цепи. В двигателях
происходит обратное преобразование - изменяющегося по направлению тока
внешней обмотки - в постоянный по направлению тока, ЭДС и напряжение в
59
обмотке якоря. Т. о., в зависимости от положения секции, 1с будет изменять
направление при неизменном направлении 1Я.

Рис. 3.1

3.1.1. Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим один виток обмотки, состоящий из двух диаметрально про-
тивоположных проводников, расположенных на якоре машины и вращающихся
с частотой п (рис. 3.2). Он является источником переменной электродвижущей
силы. Эта ЭДС равна нулю, когда виток проходит геометрическую нейтраль, и
максимальна, когда он проходит ось полюсов М-8. На якоре множество витков,
идентичных рассмотренному, которые соединены последовательно.

Проводники рамки, находящиеся слева от геометрической нейтрали, яв-
ляются источниками ЭДС одного направления. По правилу правой руки левая
часть рамки (проводник) стремится совершить поворот вправо, правый провод-
ник - влево. Возникает вращающий момент, под действием которого якорь
начнет вращаться в направлении указанном стрелками, а справа - источниками
ЭДС противоположного направления.
Если представим все наводимые ЭДС в виде источников (Е), то получим
эквивалентную электрическую схему (рис. 3.3). Когда якорь вращается, напря-
жение между точками К и М почти постоянно. Если точки К и М не соединены
с внешней цепью, то нет тока в обмотках. Если теперь соединить точки К и М с
внешней цепью, то обе группы витков (две группы источников на рис. 3.3),
называемые параллельными ветвями, создадут электрический ток

1 = 1/2 + 1/2.

Каждая ЭДС переменна поэтому реально существует пульсация ЭДС
(рис. 3.4). Амплитуда пульсации уменьшается с ростом числа пластин коллекто-
ра (т. е. параллельных ветвей обмотки). Для 50 пластин пульсация равна 0,4 % от
среднего значения ЭД СЕ. То есть практически можно считать ЭДСЕ постоян-
ной.

В этом случае коллектор и щетки осуществляют контакт между обмоткой
якоря и внешней цепью и выполняют функцию механического выпрямителя.

С помощью полюсных наконечников магнитная индукция В распределя-
ется вдоль воздушного зазора в форме трапеции, а в проводниках обмотки яко-
ря - постоянной по величине ЭДС е и ес. Магнитная индукция сначала возрас-
тает, под полюсом Ы имеет постоянное значение, затем уменьшается до нуля
при а = 180°. В пределах а = 180^-360° магнитная индукция изменяется по тому
же закону под полюсом 8. На рис. 3.4 пульсации уменьшаются при 3-фазном
включении машины.

АФ

Электродвижущая сила для одного проводника е =--.

Л1

Так как магнитный поток проходит два воздушных зазора, то

ДФ = 2 Фр, Л1 = 1/п,
где п - частота вращения.
Тогда

Е = 2-п-Фр.

Если число проводников М, то число витков М/2, поэтому для двухпо-
люсной машины ЭДС

Е = Ы-п-Фр.

Назовем «2р» число полюсов и «2а» число параллельных ветвей, тогда
для многополюсной машины получим

2р р

Е = —-?<• Фп = — ?<• п • Фп = к • п • Фп.
2а р а р р

3.1.2. Уравнение вращающего момента

Поскольку машина постоянного тока может работать как в качестве дви-
гателя, так и генератора, принцип действия остается одинаковым, однако
наименование механического момента различно.

Для генератора, который поставляет электрическую энергию, ЭДС возни-
кают в проводниках обмоток. Согласно закону Ампера создаются механиче-
ские силы и момент сопротивления, противоположный вращающему момен-
ту машины, приводящей генератор во вращение.

Согласно принципу сохранения энергии электрическая мощность генера-
тора равна механической мощности приводного механизма без учета потерь
мощности.

Рэл = Е-1Я = Рмех = Ж

то есть Е1я = 2л • п • М, тогда, зная что

Е = Рк.п-Ф0,
а

получим окончательную формулу вращающего момента
р • Ы • Ф • 1Я к

М = ----------^ = _ф .1я.

а • 2л 2л р

3.1.3. Реакция якоря

Реакцией якоря называется воздействие намагничивающей силы обмотки
якоря на магнитный поток машины.

Линии магнитного поля создаваемые статором выходят из северного по-
люса М, пересекают два воздушных зазора и входят в южный полюс 8 (рис. 3.5).

Ориентация линий магнитного поля, создаваемых якорем, перпендику-
лярна линиям магнитного поля, создаваемого статором (рис. 3.6). В результате
этого ток якоря деформирует магнитное поле, создаваемое статором без
нагрузки, независимо от того работает МПТ в режиме генератора или двигателя
(рис. 3.7).

Рис. 3.6

В результате поперечно реакции якоря магнитное поле машины стано-
вится несимметричным относительно главных полюсов: под одним краем по-
люса В увеличивается, под другим - уменьшается.

Физическая нейтраль ФН, проходящая через ось машины поворачивается
относительно геометрической нейтрали (ГН) в направлении вращения для ре-
жима генератора и в противоположном направлении - для режима двигателя.
Поэтому (рис. 3.7) ЭДС секции ес, находящейся под геометрической нейтралью,
не равна нулю. То есть ЭДС ее на щётках существенно влияет на процесс ком-
мутации в МПТ.

Реакция якоря при значительной нагрузке приводит к уменьшению ре-
зультирующего магнитного потока.

3.1.4. Процесс коммутации

Коммутация в электротехнике означает изменение направления тока в
электрической цепи. Т. о. система «коллектор-щётки», которая позволяет по-
лучить постоянное напряжение из переменного, является коммутатором (пе-
реключателем).

Для описания процесса коммутации с помощью эквивалентной схемы для
двух соседних пластин 2 и 3 коллектора и щётки. Рассмотрим две позиции щёт-
ки и пластин I и II, что соответствует замкнутому и разомкнутому положениям
коммутатора.

Первая позиция I (рис. 3.8, а, б). Можно представить одну секцию обмот-
ки как параллельное соединение Ьс, Кс и Сс, где емкость в свою очередь вклю-
чена параллельно коммутатору. Когда пластины коллектора 2 и 3 замкнуты
щёткой, ток /с протекает по обмотке секции.

Вторая позиция II (рис. 3.9, а, б). Когда эта цепь размыкается, ток /с пре-
рывается, однако не мгновенно, так как возникает ЭДС самоиндукции е. Ток /с
заряжает емкость Сс, напряжение между щёткой и пластиной 2 растет и прово-
цирует электрическую дугу между этими элементами.

Когда коллектор вращается с частотой п, электрическая дуга существует
всегда между двумя соседними элементами. Искровой разряд распространяется
от одной пластины коллектора к другой, создает короткое замыкание между ни-
ми, что разрушает систему «щётки-коллектор». Для того, чтобы исключить эти
негативные явления, необходимо нейтрализовать электродвижущие силы ес и е.
Возможны два решения:

1) смещение щёток на физическую нейтраль в направлении вращения
для генератора и в противоположном для двигателя. Однако ЭДС ес
зависит от нагрузки и возрастает по мере деформации магнитного по-
ля. Практически невозможно изменять положение щёток в процессе
работы, и поэтому этот метод применим для машин малой мощности и
с постоянной нагрузкой;

2) для нейтрализации электродвижущих сил ес и ^необходимо противо-
поставить им ЭДС, которая изменяет свою величину в процессе рабо-
ты. С этой целью создаются дополнительные полюса, расположен-
ные на геометрической нейтрали и включенные последовательно со
щётками (рис. 3.10).

В конце коммутации секция переходит в другую параллельную зону, ток
в ней изменяет направление на противоположное, возникает ЭДС значительной
величины, что может повлечь электрический разряд на коллекторе.
3.1.5. Способы включения обмоток возбуждения машин постоянного тока

По способу включения обмотки возбуждения различают машины посто-
янного тока с независимым и самовозбуждением.

В машинах постоянного тока с независимым возбуждением на главный
магнитный поток создаваемый обмоткой возбуждения, подключенной к внеш-
нему источнику постоянного тока, не влияет изменение нагрузки.

Машины постоянного тока с самовозбуждением классифицируются на
машины с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

В машинах с параллельным возбуждением сопротивление обмоток воз-
буждения больше сопротивления якоря.

В машинах с последовательным возбуждением ток якоря является одновре-
менно током возбуждения, поэтому сопротивление обмотки возбуждения мало, и
необходимая намагничивающая сила обеспечивается при малом числе витков.

В машинах со смешанным возбуждением намагничивающая сила равна
сумме намагничивающих сил параллельной и последовательной обмоток воз-
буждения.

Для нормальной работы машин постоянного тока с самовозбуждением
необходимо, чтобы были следующие условия:

Наличие слабого остаточного магнитного поля. При вращении якоря в
остаточном поле статора в якоре наводится небольшая ЭДС, под действием ко-
торой в цепи возбуждения возникает ток, который приводит к возрастанию
магнитного потока обмотки возбуждения. Это в свою очередь приводит к воз-
растанию ЭДС якоря. Процесс продолжается до насыщения магнитной цепи.

Совпадение направления возбуждаемого и остаточного магнитных пото-
ков. Это зависит от соответствия направления вращения якоря и присоединения
к нему обмотки возбуждения.

Сопротивление обмотки возбуждения должно быть меньше критического.
В противном случае напряжение на зажимах генератора неустойчиво и значи-
тельно меньше номинального.

3.2. Генератор постоянного тока

3.2.1. Режим генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока вращается с помощью асинхронного двига-
теля с частотой п (рис. 3.11). Согласно II закону Кирхгофа напряжение на за-
жимах генератора будет:

И = Е - ! гвн.
Рис. 3.11

Когда ток I течет по обмотке якоря, в двигателе АД возникает электро-
магнитный момент сопротивления МАд, равный электрическому моменту гене-
ратора Мг.

МЛД Мг,или: ММЕХ Мэл.

Механическая мощность на валу двигателя преобразуется в электриче-
скую мощность генератора. Составим уравнение баланса мощностей:

Р|мех = ММЕХ 2л п = Е1 = ИI +1 гвн.

Преобразование механической энергии в электрическую удобно объяс-
нить с помощью диаграммы мощностей, представленной на рис. 3.12.

КПД генератора можно выразить формулой:

Р9П . (ДРмгх + + Дрв)

_ 27 Л 1 \ ХУША____>1____р /

г р р

ГМЕХ ГМЕХ

Рис. 3.12

На рисунке использованы следующие обозначения: ДРмех - механические
потери мощности на трение в подшипниках; ДРЯ - электрические и магнитные
потери в якоре; ДРВ- потери мощности на возбуждение (в статоре).

Для объяснения принципа действия генератора постоянного тока исполь-
зуем логическую диаграмму (рис. 3.13).

С помощью диаграммы определим алгоритм действий:
1) приводной двигатель создает момент Мдв и вращает с частотой п якорь
генератора;

2) под действием напряжения Ив по цепи статора течет ток 1В, который
создает магнитный поток Фв;

3) согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ) этот поток
наводит ЭД СЕ. Если цепь якоря замкнута, то по ней течет ток 1я и на
зажимах генератора возникает напряжение И = Е - 1ягвн;

4) ток 1я создает магнитный поток Фя, который суммируется с потоком
Фв, образуя рабочий поток Фр (Фр = Фв + Фя). Этот же ток 1я, вступая во
взаимодействие с рабочим потоком Фр создает электромагнитные
силы (ЭМС) и соответствующий противодействующий момент гене-
ратора Мг.

3.2.2. Характеристики генераторов постоянного тока

Основными характеристиками ГИТ являются:

- внешняя характеристика И = Г(1), п = соп§1,1в = соп§1;

- регулировочная характеристика 1в = Д1), п = пн, И = Ин;

- характеристика холостого хода Е = Г(1В), I = 0, п = пн.

Эти характеристики зависят от способа возбуждения генератора.

3.2.3. Генератор с независимым возбуждением

Генератор с независимым возбуждением показан на рис. 3.14. В этом
случае статор питается от дополнительного источника.

Внешняя характеристика 11(1) представляет собой зависимость напря-
жения на зажимах генератора от тока нагрузки при 1в = соп§1 и п = соп§1
(рис. 3.15). Зависимость И(1) может быть получена на основании уравнения,
68
составленного по второму закону Кирхгофа для цепи якоря генератора, соглас-
но которому

И = Е - 1я гя= Е -1 гя.1 гп = Е - 1я гя,

откуда

I = Е/ (гя + гп),

где гя - ток якоря, равный току потребителя, А;

гп - сопротивление потребителя;

гя - сопротивление якоря, включающее в себя сопротивление обмотки
якоря щеточного контакта, обмотки дополнительных полюсов и компен-
сационной обмотки (если она имеется).

Т. к. у генератора независимого возбуждения по условию 1в = соп§1, то,
пренебрегая реакцией якоря, следует считать Ф = соп§1, а значит и Е = соп§1.
Е[ри этих условиях внешняя характеристика И(1) представляет собой прямую
линию.

Без нагрузки, когда г,, = ос, I = О имеем напряжение холостого хода Ио =ЕХ =
= Е, которое в дальнейшем уменьшается, по мере увеличения тока I.

С повышением числа подключенных потребителей эквивалентное сопро-
тивление гп понижается, что связано с повышением тока нагрузки, падением
напряжения в сопротивлении гя и снижением напряжения И.

Внешняя характеристика при этом получается не прямолинейной. Для
получения номинального напряжения при токе I = 1н необходимо установить
при холостом ходе несколько большую ЭДС, ИХ1 = Е, > Ех = Е.

Изменение напряжения генератора

ЛИп = ((Их1-Ип)/Ип)100%
относительно невысоко и при номинальной нагрузке примерно равно 5-10 %
от величины ЭДС Е.
Для компенсации падения напряжения необходимо увеличивать ток воз-
буждения при возрастании нагрузки согласно регулировочной характеристики
генератора 1в = Д1) (рис. 3.16).

Регулировочная характеристика 1в (I) представляет собой зависимость
тока возбуждения от тока нагрузки I при п = соп81. Она показывает как необхо-
димо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки, чтобы поддер-
живать напряжение постоянным. Регулировочная характеристика генератора
может быть нелинейной, что объясняется нелинейностью внешней характери-
стики и характеристики холостого хода.

Характеристика холостого хода Е(1в) представляет собой зависимость
ЭДС возбуждения при работе генератора вхолостую. В это время потребитель
отключен, п= соп81.

Е — кеФп,
где ке - коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей машины
~0,1.

При холостом ходе генератора независимого возбуждения

Ф = Г1(1в^в) = Г2(1в),

поэтому можно записать Е = кепГ1(1в).

Изменяя ток 1в, можно тем самым изменить магнитный поток Ф и, следо-
вательно Е генератора.

Единственным недостатком такого генератора является наличие дополни-
тельного источника для цепи возбуждения, что уменьшает КПД машины в целом.
3.2.4. Процесс самовозбуждения генератора постоянного тока

Все остальные типы генераторов постоянного тока относятся к генерато-
рам с самовозбуждением. Рассмотрим процесс самовозбуждения подробно с
помощью характеристики холостого хода Е= Г(1в), представленной на рис. 3.17.

Самовозбуждение возможно при соблюдении трех условий:

1) существование остаточного намагничивания, которому соответствует
ЭДС Ео. Под действием этой ЭДС протекает небольшой ток намагни-
чивания, который создает магнитный поток больший, чем остаточный.
Этот поток наводит ЭДС, большую чем Ео? и т. д. ЭДС растет, когда
растет ток возбуждения;

2) направление остаточного магнитного потока должно совпадать с
направлением потока создаваемого. Этот процесс закончится, когда
пересекутся две характеристики: холостого хода Е = Г(1В) и цепи воз-
буждения Ив = Г(1В). Точка А, на рис. 3.17, называется рабочей точкой
холостого хода;

3) если увеличивать сопротивление Кв? характеристика Ив = Г(1в) начнет
поворачиваться против часовой стрелки и для некоторого сопротивле-
ния Квкр, называемого критическим, эта линия станет касательной к
характеристике холостого хода. В этом случае процесс самовозбужде-
ния прекращается.

Следовательно, третье условие - Кв<

Генераторы постоянного тока с самовозбуждением могут быть с парал-
лельным, последовательным и смешанным возбуждением.

3.2.5. Генератор с параллельным возбуждением

Конструкция генератора с параллельным возбуждением идентична гене-
ратору с независимым возбуждением, однако обмотка возбуждения включена
параллельно якорю (рис. 3.18).
Внешняя характеристика (2) такого генератора представлена на рис. 3.19
вместе с характеристикой генератора с независимым возбуждением (1).

Сравнивая эти две характеристики, видим, что при одном и том же токе I,
падение напряжения больше для генератора с параллельным возбуждением.
Если продолжать увеличивать ток нагрузки, то при определенном его значении
ток начнет падать также как и напряжение. В этом случае, машина «сбрасыва-
ет» нагрузку и размагничивается, потому что падение напряжения провоцирует
уменьшение 1в и ЭДС. Как результат, напряжение уменьшается быстрее, чем
при независимом возбуждении. Чтобы поддерживать напряжение на выходе ге-
нератора постоянным, необходимо увеличивать ток возбуждения, а следова-
тельно и магнитный поток для чего в цепи имеется соответствующий реостат
Кв (рис. 3.18). На рис. 3.19 представлена энергетическая диаграмма генератора
постоянного тока.

Рис. 3.18

3.2.6. Генератор со смешанным возбуждением

Генератор со смешанным возбуждением представлен на рис. 3.20.

Этот тип генератора универсален, так как возбуждение создается двумя
обмотками - последовательной и параллельной, что позволяет получить семей-
ство внешних характеристик (рис. 3.21).
Рассмотрим три кривые из этого семейства:

- для нормальной работы генератора (кривая 1) последовательное воз-
буждение как бы автоматически поддерживает напряжение, и оно из-
меняется незначительно;

- для «перевозбужденного» генератора (кривая 2) намагничивающие си-
лы последовательной и параллельной обмоток суммируются, и напря-
жение может быть больше, чем ЭДС Е = Ио;

- для «недовозбужденного» генератора (кривая 3) намагничиваюшие си-
лы вычитаются, и напряжение резко падает при увеличении нагрузки.

3.3. Двигатель постоянного тока

3.3.1. Режим двигателя постоянного тока

Рассмотрим машину постоянного тока, к зажимам которой приложено
напряжение И (рис. 3.22).

Ток I, протекая по обмоткам машины, создает вращающий момент Мд.

В результате, согласно II закону Кирхгофа,

и = Епр+1гвн.

Баланса мощностей определяется выражением

— Епр 1 + 1 гвн — ММЕХ 2л п — РМЕХ.

Диаграмма мощностей (рис. 3.23) иллюстрирует преобразование электри-
ческой энергии в механическую.

Согласно этой диаграмме формула КПД для двигателя

л = Рмех = 1 (^РмЕХ + АР» + АРв)

Пд р р

ЭЛ ЭЛ

Логическая диаграмма (рис. 3.24) помогает объяснить принцип действия
двигателя постоянного тока:

1) под действием напряжения сети И в обмотке возбуждения течет ток 1в,
который создает магнитный поток Фв;
2) в обмотке якоря под действием того же напряжения И течет ток якоря
1Я, который в свою очередь создает магнитный поток Фя;

3) эти два потока складываются Фр = Фв+ Фя, и рабочий магнитный поток
наводит противодействующую ЭДС Епр;

4) ток якоря 1Я, взаимодействуя с рабочим магнитным потоком Фр? созда-
ет электромагнитные силы (ЭМС) и вращающий момент Мдв. В ре-
зультате якорь двигателя вращается с частотой п.

Рис. 3.23

Рис. 3.24

3.3.2. Характеристики двигателей постоянного тока

Наиболее важная характеристика двигателя - механическая, она выра-
жает зависимость вращающего момента от частоты вращения Мдв = Г(п).

Важным также является возможность пуска двигателя при допустимом
токе и максимальном вращающем моменте. И, наконец, коэффициент регули-
рования частоты вращения, выраженный в процентах:

к (%) = П°~Пн100 %,

п„

где п0 - частота вращения холостого хода;

пн - частота вращения при номинальной нагрузке.
3.3.3. Двигатель с независимым возбуждением

На рис. 3.25 представлен двигатель с независимым возбуждением.

Рис. 3.25

Согласно схеме, имеем две изолированные электрические цепи с соответ-
ствующими резисторами. Цепь возбуждения с Кв предназначена для создания
магнитного поля; цепь якоря с пусковым реостатом Кп - для ограничения пус-
кового тока.

Рассмотрим процесс пуска двигателя более подробно.

Ток якоря без пускового реостата определяется согласно II закону
Кирхгофа

_Ц-Е_Ц-кпФр
я Кя ’

В момент пуска частота вращения якоря п и, соответственно, ЭДС Е рав-
ны нулю, ток якоря ограничивается лишь небольшим сопротивлением якоря
т и

1ПЯ = — , и может достигать 12-кратнои величины от номинального значения.

Кя

Сопротивление пускового реостата Кп суммируется с Кя, в результате ток
т и и
якоря при пуске ограничивается 1пя =--=----.

Кя+Кп

Механическую характеристику М = Г(п) определим из известных формул
момента, тока и ЭДС

М = Еф! I = Ц~Е Е = к п-Ф
2л р я я р’

„ к К V <кФр)2 ЛЯ ЛЯ

В результате получим М = —Ф-----------— п = Мп -Мп.

2л р 2лКЕ

Эта формула прямой линии, проходящей через точки Мп и п0 (рис. 3.26).
3.3.4. Двигатель с параллельным возбуждением

Двигатель с параллельным возбуждением представлен на рис. 3.27.

В этом случае ток двигателя I = 1я + 1в и двигатель имеет практически те
же характеристики, что и мотор с независимым возбуждением.

Выведем уравнение электрического состояния двигателя постоянного то-
ка используя второй закон Кирхгоф фа

Рис. 3.27

При пуске двигателя п = 0, и следовательно, Е = кепФ = 0. Пусковой ток
достигает значительной величины, в несколько раз превышающий номиналь-
ный ток. Для уменьшения пускового тока в цепь якоря последовательно вклю-
чают пусковой реостат. При полностью введенном пусковом реостате ток якоря
в момент пуска снижается.

1я=11/(гя+гп).

После запуска двигателя, когда возникает противоЭДС, сопротивление
пускового реостата постепенно уменьшают до нуля при номинальном режиме.

Из уравнения электрического равновесия И = Е + 1ягя при подстановке
Е = кепФ получим:

II = кепФ + 1ягя; п = 11/(ке-Ф) - (1ягя)/(ке-Ф).

Из выражения для электромагнитного момента М= км Ф-1Я, действующего
на волу двигателя, получим:
1Я = М/Км’Ф,

тогда п = И/(ке-Ф) - (М-гя)/(ке-кмФ2) - математическое выражение механической
характеристики.

Механическая характеристика снимается при условии И = соп81, гд = соп81,
Гв = СОП81.

У двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением жесткая
механическая характеристика. При такой характеристике при изменении
нагрузки на валу частота вращения изменяется незначительно.

Механическая характеристика, постоянна пи условии, что сопротивление
пускового реостата, включенного в цепь якоря, равно нулю, называется есте-
ственной.

При различных значениях гп можно построить семейство искусственных
механических характеристик, описываемых выражением:

п = 1)/(ке-Ф) - М (гя + гп)/(ке-км-Ф2).

Частота вращения ротора двигателя постоянного тока может регулиро-
ваться различными способами:

1. Наиболее распространенный способ - путем изменения тока возбужде-
ния. Как показывает регулировочная характеристика при увеличении тока воз-
буждения частота вращения ротора двигателя резко падает, т. к. магнитный по-
ток увеличивается.

п = (И-1ягя)/(кеФ).

При малых токах возбуждения частота вращения превышает допустимые
значения, что может привести к повреждению якоря и коллекторно-щеточного
узла.

2. При введении сопротивления в цепь якоря частота вращения ротора
уменьшается п = И - 1я(гд - гп)/(кеФ). Однако этот способ регулирования связан
с большими потерями мощности в цепи якоря и применяется только в двигате-
лях малой мощности.

3. При изменении напряжения на зажимах двигателя частота вращения
ротора изменяется. Недостатком этого способа является необходимость приме-
нения источника регулируемого напряжения.

Реверсирование двигателя постоянного тока с параллельным возбужде-
нием можно осуществить изменением направления тока в обмотке возбуждения
или якоря.

Уравнение энергетического баланса двигателя постоянного тока

Р1ЭЛ = Р2мех + АРМЯ + ДРСТЯ + АРМВ + Ртр,

где Р1эл- мощность, подаваемая к двигателю от внешнего источника;
?2мех - полезная мощность на валу двигателя.

Р|мсх= Р2 + АРМя+ АРСТЯ+ АРМВ+ АРтр,

где Р1мех - мощность внешнего двигателя, вращающего вал генератора;

АРтр - потери мощности механические (на трение в подшипниках и т. д.);

АРСТЯ - потери мощности в сердечнике якоря на вихревые токи и перемаг-
ничивание;

АРМЯ - потери в активном сопротивлении проводов якоря;

АРМВ- потери в активном сопротивлении проводов обмотки возбуждения.

КПД двигателя

Л Р 2мех/Р 1эл Р 2мех/ (Р 2мех + АР мя + АР стя + АР Мв + Р тр) •

3.3.5. Двигатель с последовательным возбуждением

В двигателе с последовательным возбуждением представленном на рис. 3.28,
ток возбуждения равен току якоря, в большей степени зависит от нагрузки и не
может работать без нагрузки при номинальном напряжении.

Рис. 3.28

Как известно, вращающий момент определяется формулой М = —Ф 1я,
2л

однако магнитный поток в этом случае пропорционален току якоря Фр = к11я,

к 2 2

тогда получим М = — кДя = К1 .

2л

Итак, вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря.

Частота вращения

Е _Ч-1я1<е_ 1 р „
------------------к
кФр кк^ К^1я

Отсюда видим, что когда 1Я ч 0, п ч х и М ч 0 и когда 1Я ч 1п. и ч 0 и
М Мп, то есть механическая характеристика функция п = Г(1я) такого двига-
теля имеет гиперболический характер (рис. 3.29).
При холостом ходе двигателя, соответствующему М = 0, частота вращения
ротора резко возрастает, двигатель идет в «разнос». Чтобы такого явления не
происходило, пуск и работа без нагрузки двигателей последовательного возбуж-
дения недопустима. Двигатель постоянного тока с последовательным возбужде-
нием имеет большой пусковой момент и развивает значительные моменты при
малых частотах вращения. Частоту вращения двигателя регулируют при вклю-
чении реостата последовательно в цепь двигателя, при этом изменяется ток яко-
ря, ток возбуждения и магнитный поток. При включении реостата параллельно
обмотке возбуждения, изменяется ток возбуждения и магнитный поток.

3,3,6, Двигатель со смешанным возбуждением

Двигатель со смешанным возбуждением показан на рис. 3.30.

Этот двигатель имеет семейство характеристик промежуточных между
характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбужде-
нием. Такой двигатель нормально работает без нагрузки при номинальном
напряжении и имеет большой пусковой момент. На рис. 3.31, представлены ме-
ханические характеристики четырех типов двигателей:

1 - двигатель смешанного возбуждения, когда магнитные потоки от двух
обмоток вычитаются. В этом случае рабочий магнитный поток уменьшается
пропорционально И - 1ЯКЯ, то есть получаем практически постоянную частоту
вращения якоря.
2 - двигатель с независимым или параллельным возбуждением.

3 - двигатель смешанного возбуждения, когда магнитные потоки от двух
обмоток складываются. В этом случае получается характеристика более мягкая,
чем для двигателей с независимым или параллельным возбуждением.

4 - двигатель с последовательным возбуждением.

Из рис. 3.31 видно, что механическая характеристика двигателя постоян-
ного тока со смешанным возбуждением имеет более «мягкую» форму по срав-
нению с характеристикой двигателя с параллельным возбуждением.

3.4. Вопросы для самопроверки

1. Объясните устройство и принцип работы машины постоянного тока в
режиме генератора.

2. Объясните устройство и принцип работы машины постоянного тока в
режиме двигателя.

3. Какова роль электромагнитного момента в режимах генератора и дви-
гателя?

4. Какова роль ЭДС в режимах генератора и двигателя?

5. Напишите формулу ЭДС машины постоянного тока.

6. Напишите формулу электромагнитного момента машины постоянного
тока.

7. Поясните физическую сущность явления реакции якоря.

8. Поясните физические процессы при коммутации.

9. Перечислите основные характеристики машины постоянного тока.

10. Напишите выражения, характеризующие работу генератора постоянно-
го тока.
11. Изобразите схему генератора независимого возбуждения.

12. Изобразите схему генератора параллельного возбуждения.

13. Изобразите схему генератора смешанного возбуждения.

14. Объясните процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока.

15. Напишите формулы, характеризующие работу двигателя постоянного
тока.

16. Выведите уравнение механической характеристики двигателя постоян-
ного тока, объясните ее.

17. Изобразите схему двигателя параллельного возбуждения.

18. Изобразите схему двигателя последовательного возбуждения.

19. Изобразите схему двигателя со смешанным возбуждением.

20. Изобразите схему двигателя с независимым возбуждением.

21. Объясните нагрузочную и регулировочную характеристики.

22. Перечислите достоинства и недостатки различных способов регулиро-
вания скорости вращения двигателя.
ГЛАВА IV. 4. ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

4.1. Асинхронный двигатель

4.1.1. Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель (АД) трехфазного тока представляет собой элек-
трическую машину, служащую для преобразования электрической энергии
трехфазного тока в механическую. Благодаря простоте устройства, высокой
надежности в эксплуатации и меньшей стоимости по сравнению с другими дви-
гателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение
в промышленности и сельском хозяйстве; с их помощью приводятся в движе-
ние металлорежущие деревообрабатывающие станки, подъемные краны, лебед-
ки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и др. механизмы. АД подразделя-
ются на бесколлекторные и коллекторные. Асинхронные бесколлекторные дви-
гатели имеют два основных исполнения.

Двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора - наиболее широко рас-
пространены.

Двигатели с фазной обмоткой ротора, позволяющей уменьшить пусковой
ток и увеличить пусковой момент.

АД имеет два основных элемента: неподвижный - статор и вращающийся -
ротор (рис. 4.1).

Рис. 4.1

1 - корпус статора, 2 - лапы для крепления двигателя, 3 - сердечник статора,

4 - пазы статора, 5 - обмотка статора, 6 - сердечник ротора, 7 - пазы ротора,
8 - обмотка ротора, 9 - вал ротора, 10 - шариковые или роликовые подшипники
в которых вращается вал, 11 - подшипниковые щиты с торцов

11
Статор состоит из корпуса 1, представляющего собой основание всего
двигателя. Он выполнен из стали, чугуна или алюминия и должен обладать не-
обходимой механической прочностью. С помощью лап 2 двигатель крепиться к
фундаменту или непосредственно к станине производственного механизма. В
корпус 1 вмонтирован сердечник 3 статора, представляющий собой полый ци-
линдр, на внутренней поверхности которого имеются пазы 4 с обмоткой 5 ста-
тора. Поскольку в сердечнике статора действует переменный ток и на статор
действует момент, развиваемый двигателем, сердечник должен изготавливаться
из ферромагнитного материала достаточной механической прочности. Для
уменьшения потерь от вихревых токов и перемагничивания сердечник статора
собирают из отдельных листов (толщиной 0,35-0,5 мм) электрической стали, и
каждый лист изолируют от соседнего.

Сердечник статора представляет из себя цилиндр, собранный из пластин
электротехнической стали с пазами на внутренней стороне. В эти пазы уложе-
ны трехфазные обмотки, соединенные с сетью (рис. 4.2).

сердечник

Рис. 4.2

Обмотка статора состоит из трех отдельных частей называемых фазами.
Фазы могут быть соединены между собой звездой или треугольником. Начало
обмоток обозначают на схеме буквами А, В, С концы - X, У, 7. Обмотки двига-
телей малой и средней мощности изготавливают на напряжения 380/220 и
220/127 В. Напряжение, указанное в числителе, соответствуют соединению об-
моток звездой, а в знаменателе - треугольником. Т. о., один и тот же двигатель
при соответствующей схеме соединения его обмоток может быть включен в
сеть на любое указанное в паспорте напряжение.

Существуют двигатели на 500 В, у которых обмотки соединены звездой.
Двигатели высокого напряжения изготавливают на 3000 В и 6000 В.

На корпусе двигателя имеется доска с зажимами, с помощью которых об-
мотка присоединяется к трехфазной сети.

Сердечник ротора представляет собой цилиндр, собранный из листов
электротехнической стали, в котором имеются пазы 7 с обмоткой 8.
Обмотки ротора бывают двух видов - короткозамкнутая и фазная, соответ-
ственно этому асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.

1. Беличья клетка (короткозамкнутый ротор). На рис. 4.3 и 4.4 представ-
лены: сердечник ротора и короткозамкнутая обмотка.

Рис. 4.3 Рис. 4.4

Короткозамкнутая обмотка состоит из стержней расположенных в пазах,
и замыкающих колец. Стержни присоединены к замыкающим кольцам, в ре-
зультате чего обмотка оказывается короткозамкнутой. Стержни и замыкающие
кольца изготавливают из алюминия. На практике обмотка ротора отливается из
алюминия, в отверстия в пластинах сердечника заливается расплавленный
алюминий, одновременно с этим отливаются элементы охлаждения двигателя
(крылья). По внешнему виду короткозамкнутая обмотка напоминает беличье
колесо, поэтому ее называют «беличьей клеткой».

2. Фазный ротор. Если вместо отверстий в пластинах сердечника сделать
пазы, то в них может быть уложена трехфазная обмотка ротора, которая с по-
мощью щеток и колец соединяется с внешней цепью. Как правило, это соеди-
нение «звезда» вместе с трехфазным реостатом. Начало фаз обмотки присоеди-
няют к контактным кольцам, расположенным на валу. К кольцам прижимаются
пружинами медно-графитовые щетки, расположенные в неподвижных щетко-
держателях. С помощью контактных колец и щеток в цепь ротора включается
дополнительное сопротивление: пусковым (для уменьшения пускового тока)
или регулировочным (для изменения скорости вращения ротора). Вал ротора 9
вращается в шариковых или роликовых подшипниках 10, укрепленных в под-
шипниковых щитах И, которые изготовлены из чугуна или стали и прикреп-
ляются к корпусу болтами.

Ротор вращается асинхронно, т. е. с угловой скоростью, меньшей угловой
скорости вращающегося магнитного поля статора, поэтому двигатель называет-
ся асинхронным.
4.1.2. Принцип действия асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель - это электрическая машина, которая использует
взаимодействие вращающегося магнитного поля с токами, наведенными этим
же полем в обмотках ротора.

Принцип действия иллюстрирует рис. 4.5. Вращающееся магнитное поле
материализовано в виде подковообразного магнита, вращающегося с угловой
скоростью называемой синхронной скоростью. Это поле индуцирует вих-
ревые токи в металлическом диске, подвижном вокруг своей оси. Под действи-
ем вращающегося магнитного поля на индуцированные токи, диск вращается в
том же направлении, что и поле, однако его скорость вращения О меньше, чем
синхронная (О < О8).

4.1.3. Вращающееся магнитное поле

В асинхронном двигателе вращающееся магнитное поле создается трех-
фазными токами, циркулирующими по обмоткам статора. Рассмотрим создание
этого поля подробно.

Имеются три неподвижные обмотки АХ, ВУ, С7, сдвинутые друг относи-
тельно друга на 120° в пространстве и обтекаемые трехфазными токами (рис. 4.6
и 4.7):

/А = 1т81псэ1, /в = 1т8т((о1 - 2я/3), /с = 1т8ш(сэ1 + 2л/3).

Рассмотрим эту конструкцию для трех моментов времени 1р 12,13 (рис. 4.8,
4.9, 4.10).

Момент времени 1Х:

?а — + Тщ? /в 1щ/2, ?'с 1щ/2.

На плоскости получим рис. 4.8. Здесь суммарная индукция магнитного
поля равна ВЕ = ВА + Вв + Всили в абсолютных величинах

В. = Вю + Вю / 4 + Вю / 4 = 3 / 2 Вю.

Момент времени 12:

/а 1ш/2, /'в — + 1т? /с /2.

На плоскости получим рис. 4.9. Здесь суммарная индукция магнитного
поля

— ВА + Вв + Вс,
или в абсолютных величинах

ВЕ = Вт / 4 + Вт + Вт / 4 = 3 / 2 Вт.

Момент времени €3:

^А 1щ/2, /'в 1щ/2? "Нт*

На плоскости получим рис. 4.10. Здесь суммарная индукция магнитного
поля будет ВЕ = ВА + Вв + Вс , или в абсолютных величинах

ВЕ = Вт / 4 + Вт / 4 + Вт = 3 / 2 Вт.

На основании рассмотрения этих трех частных случаев можно сделать за-
ключение, что три неподвижные обмотки, сдвинутые в пространстве на 120° и
обтекаемые токами, сдвинутыми на 120° во времени, создают вращающееся
магнитное поле, чья индукция постоянна. Такое поле является двухполюсным.
Если конструкция содержит 2р полюсов, то синхронная угловая скорость будет

со 2л Г г 1

Ц = — =------ рад / сек ,

Р Р

и соответствующая ей частота вращения

501* г г,
п =--- [об/мин],

где со - пульсация;

Г - частота сети.

Т. о., в трехфазной обмотке, состоящей из р катушек на фазу создается
магнитное поле вращающееся с частотой п. Табл. 4.1 представляет частоту
вращения в функции числа полюсов при частоте сети Г= 50 Нх.
Таблица 4.1

Число пар полюсов р 1 2 3 4 5 6
Синхронная частота вращения п [об/мин] 3000 1500 1000 750 600 500

4.1.4. Логическая диаграмма функционирования

Можно объяснить принцип действия асинхронного двигателя с помощью
логической диаграммы (рис. 4.11).

Последовательность действий, согласно логической диаграмме, такова:

1) под действием трёхфазного напряжения Й1 в каждой фазе обмотки
протекает ток ;

2) этот ток создает магнитный поток, вращающийся с частотой п8;

3) согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ) магнитный поток
наводит две ЭДС статора Е1 и ротора Е2;

4) ЭДС Ё1 и напряжение й1 определяют ток статора;

5) под действием ЭДС Е2 возникает ток 12, который в свою очередь со-
здает свой магнитный поток в роторе;

6) окончательно алгебраическая сумма намагничивающих сил +12?^2
создает рабочий магнитный поток Фр асинхронного двигателя;

7) ток 12, взаимодействуя с магнитным потоком Фр?производит электро-
магнитные силы (ЭМС) и вращающий момент Мдв.

Рис. 4.11

4.1.5. Скольжение

Ротор асинхронного двигателя вращается с частотой п, меньшей чем син-
хронная частота вращения поля статора п8, поэтому для оценки разности частот
используется относительная величина, называемая скольжением:

щ -п

8 = —---.

П8
Это очень важная характеристика асинхронной машины. Если преобразо-
вать это выражение относительно п, получим выражение

п = п8(1 - §)

то станет ясно, что эта формула прямой линии (рис. 4.12).

На этой линии имеется две характерные точки:

1) п = п8, 8 — 0 — функционирование без нагрузки. Физически данная точ-
ка не существует;

2) п = 0, 8 = 1 - пуск двигателя.

Точки делят линию на три интервала:

1) 8 < 0 - функционирование в качестве генератора;

2) 0 < 8 < 1 - функционирование в качестве двигателя;

3) 8 > 1 - функционирование в качестве электромагнитного тормоза.

4.1.6. Электродвижущие силы ротора и статора

Если вращающееся магнитное поле создает синусоидальный магнитный
поток Фтр? то (аналогично трансформатору) имеем выражения для ЭДС статора

Е1 =4,44-Г1-Т41-К1-Ф1пр

и ротора

Е28 = 4,44-Г2.М2.К2.Фтр,

где Кр К2 - обмоточные коэффициенты;

Ыр Ы2 - число витков обмоток;

- частота сети;

Г2 - частота роторных токов, зависящая от скольжения и частоты сети

Г2 = 8Гь
В момент пуска двигателя, когда п = 0 и 8 = 1 ЭДС ротора будет

Е2 = 4,44-Г2 Ы2-К2Фтр или Е2§ = 8Е2,

то есть ЭДС ротора зависит от скольжения.

Исходя из ранее сказанного, можно записать выражения для реактивных
сопротивлений статора и ротора:Х1 = 2лГ1Е1 и Х2§ = 2лГ2Е2.

Зная, что Г2 = 8^ имеем Х2§ = 82^Е2 ,тогда для пуска двигателя получим
Х2 = 2тг-Г1-Е2.

Итак, реактивное сопротивление ротора также зависит от скольжения
Х2§ =8-Х2.

4.1.7. Основные уравнения асинхронного двигателя

Аналогично трансформатору можно представить эквивалентные схемы
ротора и статора (рис. 4.13 и 4.14).

3Х1

Рис. 4.13

Рис. 4.14

Согласно II закону Кирхгофа запишем уравнения, соответствующие дан-
ным схемам:

И1 = -Ё1 + )Х111 + , Ё28 = )Х2812 + К212

где И1 - напряжение сети;

Хь К1 - реактивное и активное сопротивления статора;

Х2§, К2 - реактивное и активное сопротивления ротора;

Еь Е28 - ЭДС статора и ротора.

Для пуска двигателя (8=1) имеем

151 = — + КД1, 0 = Ё28 — )Х212 + К212.

Когда ротор вращается (0 < 8 < 1), первое уравнение остается неизмен-
ным, а второе трансформируется

зЁ28 — 8)Х212 + К212,

откуда Ё2 = )Х212 + (К2 / 8) 12 .
Подставляя в уравнение выражение К2/8 = К2 + К2(1-8)/8,

получим

Ё2 = ]Х212 + К212 + К212 ((1 - 8) / з),

где К2 (1 - 8) / 8 - эквивалентная нагрузка двигателя.

4.1.8. Вращающий момент

Активная электрическая мощность трехфазного асинхронного двигателя
известна

Рэл = ЗК.Д1 + ЗК212 + ЗК.21| (1 - к) / 8 ,

где два первых члена уравнения соответствуют электрическим потерям в стато-
ре и роторе, а третий определяет электрическую мощность, которая преобра-
зуется в механическую.

Согласно классической формуле механики имеем

Рмех = М0 = М08(1-8),

где М - механический момент [Н м];

О - угловая скорость [рад/сек].

Приравнивая электрическую и механическую мощности, получим

ЗК211 (1-8)/8 =МО8(1-8),

, ™ ЗК211

откуда формулу момента можно записать как М = —.

□8 8

Считая, что выражение Е2 = Е1 аналогично трансформатору, выделим

из основных уравнений асинхронного двигателя ток ротора 12, исключая при
этом ЭДС Е2

I _ы2 ц-кДчхД,

2 X, К2/8 + ]Х2

Пренебрегая падениями напряжения 11К1 и 11Х1 по сравнению с Ир полу-
т Ц

чим ? Т0ГДа окончательно в действующих значениях ток

ротора равняется:

12^._^_______________

д/(К2 / з)2 + Х2
В результате получим выражение для вращающего момента

М =

3 У2 К2

О8 М? 1 /8 + 8X1

4.1.9. Потери мощности и КПД двигателя

Уравнение баланса мощностей для АД представлено следующим выра-
жением

Р1 = Р2 + ДРмг + АРэл + АРмех,

где Р1 - потребляемая, электрическая мощность;

Р2- полезная, механическая мощность;

АРмех - механические потери на трение в подшипниках, независящие от
нагрузки;

АРМГ = АРМГС + АРмгр - магнитные потери в статоре и роторе, независящие
от нагрузки;

АРЭЛ = АРЭЛС + АРэлр - электрические потери в статоре и роторе.

Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется
с помощью энергии электромагнитного поля (мощность электромагнитного по-
ля рэлм). Представим баланс мощностей в виде диаграммы (рис. 4.15) и тогда
КПД двигателя будет

= =! (АРг+АРс+АРтес)

П Р1 ₽!

Электрические потери, а значит и КПД, зависят от нагрузки. Для боль-
шинства асинхронных двигателей КПД достаточно высок и находится в интер-
вале от 80 до 90 %.

Рис. 4.15

Коэффициент мощности двигателя

со8<р=₽! / 7р?+р2 = 1 / 7жо7р7 ,
где Р = з(11х1 + 11х0 +11х28).
4.1.10. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Зависимость М = Г(8) момента на валу двигателя М от скольжения 8 по-
строенную при И = соп81 называется механической характеристикой (рис. 4.16).
Проанализируем характерные точки механической характеристики, представ-
ленной на рис. 4.16. Эта кривая имеет четыре характерных точки:

1) 8 = 0, М = 0 холостой ход;

2) 8 = 8Н, М = Мн;

3) 8 = 8кр,М = Ммакс;

4) 8 = 1, М = Мп.

В интервале 0 < 8 < 1 электрическая машина работает в режиме двигателя,
и вращающий момент достигает максимума при 8 = 81<р = К2/Х2. Это рабочий уча-
сток механической характеристики, двигатель саморегулируется. Здесь выбира-
ется номинальный режим работы. Для скольжения больше чем критическое 8кр
работа двигателя носит неустойчивый характер, на участке 8кр > 8 > 1 происходит
пуск двигателя. При увеличении нагрузки вращающий момент уменьшается, и
при дальнейшем увеличении нагрузки - АД останавливается. Зная 81<р и Ммакс?
можно записать эмпирическую формулу Клосса для вращающего момента

2М

АД — _____МЯКС__

8/8кр+ 8кр / 8

На практике номинальный момент двигателя достигает половины макси-
мального момента, при этом скольжение составляет около 5 %.

Механическая характеристика может быт построена в координатах М = Г(п),
это характеристика момент-частота вращения М = Г(п). Зная, что п = п8 (1 - 8),
представим эту кривую на рис. 4.17.
4.1.11. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Зависимость частоты вращения п ротора двигателя, вращающего момента
М, тока статора 11, коэффициента мощности со8ф и КПД двигателя от полезной
мощности на валу двигателя Р2 называются рабочими характеристиками. Рабо-
чие характеристики двигателя, представленные на рис. 4.18, помогают анализи-
ровать процесс его работы. Здесь представлено шесть основных характеристик
АД в функции полезной мощности на валу двигателя Р2/Р2н:

1 - коэффициент полезного действия ц = Г(Р2/Р2Н);

2 - коэффициент мощности СО8ф = Г(Р2/Р2н);
3 - частота вращения ротора п = Г(Р2/Р2н);
4 - вращающий момент М = Г(Р2/Р2Н);
5 - потребляемый ток 1 = Р(Р2/Р2Н),
6 - скольжение 8 = Г(Р2/Р2Н).

Опишем зависимости, приведенные на рис. 4.18.

1. ц = Р2/(Р2 + ДРст + АРМ + АРтр); при увеличении нагрузки на валу двига-
теля потери растут значительно медленнее Р2 и ц увеличивается. При Р2 > Р2н в
связи с резким увеличением токов 11и12 увеличиваются потери ДРМ и КПД

начинает уменьшаться.

2. Поскольку со8(р = 1 / л/1 + (Р / РД2 , то при увеличении нагрузки на валу
двигателя потребляемая активная мощность Р1 увеличивается значительно
быстрее, чем реактивные потери. Однако, при дальнейшем увеличении нагруз-
ки Р2 > Р2н резко увеличиваются потери реактивной мощности, связанные с по-
лями рассеяния, и со8ф начинает уменьшаться.

3. Т. к. п = п0(1 - 8), а скольжение увеличивается с увеличением нагрузки
Р2, то характеристика п = /(Р2) подобна рабочему участку механической харак-
теристики.
4. М = Рмех/И, Р2 ~ РМех уменьшаются с увеличением нагрузки, то враща-
ющий момент М увеличивается.

5. Т. к. 11 = 10 + 12, а Р2 ~ Рмех = 3(12)2г2(( 1 - 8)/8), то при увеличении Р ток,
следовательно, и увеличивается.

При пуске асинхронных двигателей ток в роторе в 4-7 раз превышает но-
минальный ток. Большого значения достигает и ток статора.

Время пуска двигателя зависит от момента его сопротивления на валу.
При значительных моментах инерции исполнительных механизмов в двигателе
большой мощности протекает большой пусковой ток, вызывает разогрев обмо-
ток и может привести к аварии двигателя. Для снижения пускового тока вклю-
чают добавочное сопротивление в цепь ротора двигателя с фазным ротором или
включают двигатель при пониженном напряжении сети.

4.2. Синхронный двигатель

4.2.1. Общие сведения

Синхронные машины используются в качестве источников электрической
энергии: генераторов, электродвигателей, синхронных компенсаторов. С помо-
щью синхронных трехфазных генераторов вырабатывается электрическая энергия
на электростанциях. На тепловых электростанциях устанавливаемые генераторы
95
приводятся во вращение с помощью паровых турбин и называются турбогене-
раторами. Синхронные генераторы гидроэлектростанций вращаются с помо-
щью гидротурбин и носят название гидрогенераторов. Помимо электростанций,
синхронные генераторы находят применение в установках, требующих авто-
номного источника энергии, где приводятся во вращение двигателями внутрен-
него сгорания. Синхронные двигатели не получили столь широкого распро-
странения как асинхронные. Синхронные трехфазные двигатели применяются в
случаях, когда не требуется регулирования скорости.

Рис. 4.19

Синхронный двигатель отличается от асинхронного конструкцией и ис-
точником питания ротора. Статор такого двигателя питается от трехфазной се-
ти переменного тока, а ротор посредством щеток и колец от сети постоянного
тока (рис. 4.19). Т. к. обмотка статора изготавливается на тоже число пар полю-
сов, что и ротор, то скорость вращающегося поля статора оказывается равной
скорости вращения.

Благодаря тому, что скорость вращения поля якоря равна скорости вра-
щения ротора, машина получила название синхронной.

Синхронный двигатель имеет постоянную частоту вращения статора и
ротора, называемую синхронной частотой и заданную формулой

6СИГ^/ 1
п§ =--- [об / мин],

где Г - частота сети,

р - число пар полюсов.
Статор синхронного двигателя аналогичен статору асинхронного, следо-
вательно, его функция - создание вращающегося с синхронной частотой
магнитного поля.

Синхронный двигатель не имеет собственного пускового момента и дол-
жен быть разогнан до синхронной частоты с помощью внешнего привода, ко-
торым может быть, например, асинхронный двигатель малой мощности.

4.2.2. Устройство синхронных машин

Трехфазные синхронные генераторы и двигатели, в принципе имеют оди-
наковое устройство.

Неподвижная часть машины, называется статором или якорем, и состоит
из стального или чугунного корпуса, в котором закреплен цилиндрический сер-
дечник. Для уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи сердеч-
ник набирают из листов электротехнической стали. В пазах сердечника статора
уложена трехфазная обмотка, выполняемая, также как и обмотка статора асин-
хронного двигателя. С торцевых сторон корпуса расположены подшипники, не-
сущие вал вращающейся части машины - ротора. На валу размещен цилиндри-
ческий сердечник ротора, выполненный из сплошной стали. В пазах сердечника
ротора уложена обмотка возбуждения. Для присоединения обмотки возбужде-
ния к внешней электрической цепи на валу укрепляют два изолированных друг
от друга и от вала контактных кольца, к которым пружинами прижимаются по-
движные щетки. Обмотка служит для возбуждения основного магнитного поля
машины. Обмотка возбуждения с сердечником ротора представляет собой по
существу электромагнит. Питание обмотки возбуждения осуществляется от ге-
нератора, вал которого механически связан с валом синхронной машины.
Мощность, необходимая для питания обмотки возбуждения составляет НЗ %
от мощности машины.

Трехфазная обмотка статора выполняется т. о., чтоб возбуждаемое ей
вращающее магнитное поле имело такое же число пар, какое и ротор.

4.2.3. Принцип действия

Принцип действия синхронного двигателя основан на эффекте притяже-
ния разнополярных магнитных полюсов статора (Ы, 8) и ротора (Ыо, 80).

Итак, магнитное поле статора вращается с частотой п8 (рис. 4.20). Пред-
положим, что ротор тоже вращается с частотой п8? против часовой стрелки, т. е.
полюса магнитного поля ротора вращаются с частотой п8.

Без нагрузки магнитные оси полей статора и ротора совпадают, силы при-
тяжения Е1 и Е2 радиальные и не создают никакого вращающего момента. Если
возникает какой-либо момент сопротивления Мн (момент нагрузки, рис. 4.21) на
оси двигателя, то ось магнитного поля ротора поворачивается по часовой
стрелке на угол 0.

Рис. 4.21

В этом случае силы Г1 и Г2 имеют радиальные и тангенциальные состав-
ляющие, причем последние Гц и Г12 создают вращающий момент Мдв, и двига-
тель работает устойчиво при Мн = Мдв.

Рис. 4.22

Можно объяснить принцип действия синхронного двигателя с помощью
логической диаграммы (рис. 4.22):

1) под действием трехфазного напряжения 111 в каждой фазе обмотки
статора протекает ток , который создает вращающийся с частотой п8
магнитный поток Фь

2) в обмотке ротора под действием напряжения возбуждения Ив течет ток
1В? который создает поток Фв? также вращающийся с частотой п8;
3) эти потоки наводят ЭДС Ё1 и Ёо, которые складываются Ё = Ё1 + Ёо;

4) в тоже время потоки Ф1 и Фв складываются, образуя рабочий поток Фр;

5) ток , взаимодействуя с магнитным потоком Фр? создает электромаг-
нитные силы (ЭМС) и вращающий момент Мдв, противодействующий
моменту нагрузки.

4.2.4. Основные уравнения двигателя

Определим уравнение статора, используя эквивалентную схему и вектор-
ную диаграмму (рис. 4.22 - 4.24). Согласно II закону Кирхгофа (рис. 4.23)
151 = Ё1 + Ёо. Зная, что Ё1 = )Х811, и пренебрегая активным сопротивлением ста-
тора К8? получим й1 = Ёо + .

Эквивалентная схема представлена на рис. 4.24, где Х8 - синхронное со-
противление. Векторная диаграмма на рис. 4.25 показывает, что О это смеще-
ние оси магнитного поля ротора по отношению к оси поля статора, а угол ф -
сдвиг по фазе между напряжением ЁГ1 и током статора . Определим уравне-
ние вращающего момента синхронного двигателя, исходя из классической
формулы механики

Рдв — МдВО8.

Пренебрегая потерями мощности можно записать, что Рдв= Рэл-

В свою очередь электрическая мощность трехфазного синхронного дви-
гателя Р91= 3 И^созф.

Воспользуемся геометрическими построениями на рис. 4.24, где из тре-
угольников Оса и аЬс следует

ас = ЕО8Ш0 = ^ХдСОЗф.
Отсюда

СО8ф =

Ео 8Ш®
Х8

и как результат получим

= ЗЕ0Ц 5т®
1У1дв^8

-8

или окончательно

81П©

дв 08 X

ЗЕоЧ А

Если выражение —— - величина постоянная, то формула вращающе-
О8 Х8

го момента - синусоидальная функция Мдв = Ммакс8Ш®.

4.2.5. Характеристики двигателя

Угловая характеристика Мдв = Г(®) имеет два интервала функционирова-
ния (рис. 4.26): I - интервал стабильной работы, II - интервал нестабильной ра-
боты.

Когда угол О меньше 90°, двигатель работает стабильно (т. А), то есть
двигатель находится в режиме авторегулирования. Если момент нагрузки уве-
личивается Мн +ДМ, угол ®1 увеличивается тоже ®1 + А®. Согласно формуле
вращающего момента Мдв также увеличится, и равновесие установится в точке
В. Когда угол ® больше 90°, двигатель работает нестабильно (т. Э), то есть дви-
гатель теряет синхронизм. Поэтому угол ® = 90° называется критическим.
Практически величина этого угла находится в пределах от 30 до 40°. Механи-
ческая характеристика М = Г(п) синхронного двигателя - это прямая линия,
параллельная оси X (рис. 4.27). В таком случае частота вращения постоянна и
не зависит от нагрузки. Семейство И - образных характеристик наиболее важно
для промышленного применения синхронных двигателей (рис. 4.28).

С
шах

Рис. 4.27

Рис. 4.28

Этот рис. 4.28 показывает, что существует минимальный ток возбуждения
С.мин ДЛЯ КаЖДОЙ КРИВОЙ, При КОТОРОМ Коэффициент МОЩНОСТИ СО8ф = 1, и что
существуют интервалы недовозбуждения и перевозбуждения. В первом интерва-
ле синхронный двигатель работает, имея характер индуктивного сопротивле-
ния, а во втором емкостного. Это свойство позволяет использовать синхронный
двигатель для коррекции коэффициента мощности в промышленных установках,
применяя синхронный компенсатор вместо батареи конденсаторов.
4.3. Вопросы для самопроверки

1. Изобразите эскиз устройства трехфазного асинхронного двигателя.

2. Объясните назначение основных частей трехфазного асинхронного
двигателя и принцип работы.

3. Как связаны между собой обмотки статора и ротора трехфазного асин-
хронного двигателя?

4. Что представляет собой магнитопровод трехфазного асинхронного
двигателя?

5. Перечислите условия, необходимые для получения вращающегося маг-
нитного поля.

6. Перечислите последовательности действий работы АД.

7. Что такое скольжение?

8. Запишите формулу, определяющую скольжение.

9. Напишите уравнение токов асинхронного двигателя.

10. Напишите уравнения второго закона Кирхгофа для обмотки статора.

11. Напишите уравнения второго закона Кирхгофа для приведенных пара-
метров обмотки ротора.

12. Напишите формулу вращающего момента.

13. Дайте анализ механической характеристики.

14. Изобразите другие характеристики АД.

15. Напишите уравнение момента.

16. Изобразите схематически устройство синхронной машины.

17. Изложите принцип работы синхронного двигателя.

18. Напишите алгоритм действия синхронной машины.

19. Напишите основные уравнения синхронного двигателя.

20. Перечислите характеристики синхронного двигателя.
ГЛАВА V. ИНДУКЦИОННЫЕ МАШИНЫ СИНХРОННОЙ СВЯЗИ.

ДАТЧИКИ

5.1. Сельсины. Устройство и принцип действия

5.1.1. Общие сведения

Сельсинами называют электрические микромашины переменного тока,
обладающие способностью самосинхронизации и применяемые в синхронных
системах дистанционной передачи угла в качестве датчиков и приемников. Пе-
редача угловой величины в такой системе происходит синхронно, синфазно и
плавно. При этом между устройством, задающим угол (датчиком), и устрой-
ством, принимающим передаваемую величину (приемником), существуют
только электрические соединения в виде линии связи.

Сельсины бывают трехфазные силовые и однофазные, однако в системах
управления практически используются только однофазные. Однофазные сель-
сины работают в основном в двух режимах. В индикаторном режиме датчик
поворачивается принудительно, а приемник устанавливается в согласованное с
датчиком положение под воздействием собственного синхронизирующего мо-
мента. Этот режим используют в системах контроля угла поворота объекта. По-
грешность передачи порядка 0,5-1,5°.

В трансформаторном режиме датчик поворачивается принудительно, а
приемник вырабатывает напряжение, являющееся функцией угла рассогласова-
ния. Этот режим наиболее часто используют в системах управления углом по-
ворота объекта. Для обоих режимов возможны следующие схемы:

а) парная: датчик - приемник;

б) многократная: датчик - несколько приемников;

в) дифференциальная: два датчика - приемник.

Однофазный сельсин может работать как в индикаторном, так и в транс-
форматорном режимах, в качестве датчика и приемника. Однако ввиду специ-
фичности предъявляемых требований выпускаемые сельсины предназначаются
для конкретного режима работы.

Основные требования, предъявляемые к дистанционным передачам на
сельсинах:

1) высокая статическая и динамическая точности. Статическая точность
определяется погрешностью следования в режиме медленного поворо-
та, а динамическая - в режиме вращения с меняющейся по заданному
закону угловой скоростью. Погрешность следования дистанционной
передачи - это отклонение угла поворота ротора сельсина - приемника
от угла поворота сельсина-датчика в положении согласования;

2) способность к самосинхронизации в пределах одного оборота, т. е.
свойство системы на сельсинах занимать только одно устойчивое со-
гласованное положение в пределах оборота;

3) сохранение свойства самосинхронизации и заданной точности при вы-
соких угловых скоростях и наличии в системе нескольких приемников.

Кроме этого, в зависимости от условий применения к сельсинам предъяв-
ляется ряд дополнительных требований.

5.1.2. Конструкция

Однофазные сельсины по конструкции и наличию скользящего контакта
можно подразделить на контактные и бесконтактные.

Рис. 5.1

а - однофазная обмотка возбуждения; б - обмотка синхронизации;

в - устройство бесконтактного сельсина:

1 - обмотка возбуждения, 2 - обмотка синхронизации, 3 - пакет ротора, 4 - промежуток
из немагнитного материала, 5 - тороиды, б - пакет статора, 7 - внешний магнитопровод,
8 - корпус, 9 - пазы статора

Контактные сельсины состоят из двух частей: статора и ротора. На стато-
ре (или роторе) располагают однофазную обмотку возбуждения В (рис. 5.1, а);
на роторе (или статоре) - обмотку синхронизации С. Конструктивно они по-
добны синхронным машинам с электромагнитным возбуждением.

У однофазных сельсинов обмотку синхронизации выполняют по типу
трехфазной, т. е. три отдельные обмотки смещены в пространстве на 120° и со-
единены в звезду. Обмотка синхронизации всегда распределенная; обмотка
возбуждения может быть и распределенной, и сосредоточенной. Число пар по-
люсов в сельсине выбирают равным единице (Рм= 1), чтобы получить самосин-
хронизацию в пределах одного оборота.

Обмотка возбуждения сельсина создает пульсирующий магнитный поток.
Этот поток, проходя по магнитопроводу сельсина, пересекает витки обмотки
синхронизации и наводит в них трансформаторные ЭДС, зависящие от угла по-
ворота ротора. Так как при повороте ротора взаимоиндуктивность между
обмотками возбуждения и синхронизации плавно изменяется по закону косину-
са, то в обмотке синхронизации наводятся фазные ЭДС, пропорциональные ко-
синусу угла поворота ротора. У некоторых сельсинов имеется короткозамкну-
тая демпферная обмотка Д, расположенная перпендикулярно обмотке В.

Принцип работы сельсина не зависит от места расположения каждой из об-
моток: на статоре или на роторе. Однако наиболее распространены (рис. 5.1, б)
сельсины с обмоткой возбуждения 4, расположенной на роторе 3, и обмоткой
синхронизации 2 на статоре 1. У них меньше контактных колец 6 и щеток 7, что
обеспечивает более высокую надежность, меньший момент трения и объем
сельсина. В цепи передачи сигнала (линии связи обмоток синхронизации) от-
сутствуют скользящие контакты. При такой конструкции проще выполнить на
роторе демпферную обмотку 5.

5.1.3. Бесконтактные сельсины

Наличие скользящих контактов значительно снижает надежность кон-
тактных сельсинов. Поэтому были разработаны также бесконтактные сельси-
ны'. с униполярным возбуждением ротора со стороны статора и с переходным
кольцевым трансформатором. В настоящее время широко применяют бескон-
тактные сельсины с однофазной обмоткой возбуждения и трехфазной обмоткой
синхронизации, расположенными на статоре, вследствие чего отпадает необхо-
димость в скользящих контактах.

Ротор бесконтактного сельсина (рис. 5.1, в) имеет два стальных пакета,
разделенных немагнитным материалом (обычно сплавом алюминия). Пакеты ро-
тора собраны из стальных листов, размещенных в плоскости, параллельной оси
вала. На статоре расположены стальной пакет с распределенной обмоткой син-
хронизации, два боковых кольца (тороиды), две тороидальные катушки обмотки
возбуждения и внешний магнитопровод. Стальной пакет, в котором размещена
обмотка синхронизации, и тороиды собраны из листов, расположенных перпен-
дикулярно оси вала, а внешний магнитопровод - из листов, расположенных
параллельно оси вала. Следовательно, во всех элементах магнитной системы
сельсина плоскость листов параллельна направлению силовых магнитных ли-
ний. Тороидальные катушки обмотки возбуждения должны быть включены так,
чтобы направление тока в них в любой момент времени было согласованным.
Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, замыкается в каждом
элементе магнитной системы сельсина по пути, показанному на рис. 5.1, в
штриховыми линиями со стрелками. Из одного пакета ротора он проходит че-
рез небольшой воздушный зазор, а затем по статору переходит во второй пакет
ротора, охватывая проводники обмотки синхронизации. Непосредственному
переходу потока из одного пакета ротора в другой препятствует косой проме-
жуток, заполненный немагнитным материалом. Из второго пакета ротора поток
через тороиды и внешний магнитопровод переходит в первый пакет. При пово-
роте ротора изменяется положение оси потока относительно обмоток синхро-
низации, поэтому ЭДС, индуктируемая в фазах обмотки синхронизации, будет
зависеть от угла поворота ротора, так же как и в контактных сельсинах, вслед-
ствие чего принцип действия этих видов сельсинов будет одинаковым.

Недостатком бесконтактных сельсинов является худшее использование
материалов, чем в контактных сельсинах, из-за больших потоков рассеяния и
увеличенного тока холостого хода. При одинаковом удельном синхронизиру-
ющем моменте масса бесконтактного сельсина примерно в 1,5 раза больше, чем
контактного.

5.1.4. Трансформаторный режим

Для передачи углового перемещения на расстояние с преодолением зна-
чительного момента сопротивления используются системы дистанционной пе-
редачи угла в виде следящих систем, частью которых являются сельсины, рабо-
тающие в трансформаторном режиме. При этом по линии связи передается не-
значительный по мощности сигнал.

На рис. 5.2, а, приведена схема сельсинов в трансформаторном режиме.
Обмотка возбуждения сельсина-датчика СД подключена к питающей сети и
служит для создания в магнитной системе пульсирующего магнитного потока.
Обмотки синхронизации датчика и приемника соединены между собой строго
соответственно линией связи. Однофазная обмотка трансформаторного сельси-
на-приемника предназначена для выработки сигнала (напряжения), зависящего
от угла рассогласования О = 0Д - 0П? и называется обмоткой управления.
В трансформаторном режиме согласованным называют такое состояние схемы,
когда ЭДС обмотки управления сельсина-приемника равна нулю. Взаимное
расположение обмоток в датчике и приемнике для исходного согласования со-
стояния схемы показано на рис. 5.2, б.

Пульсирующий магнитный поток обмотки возбуждения датчика Фв ин-
дуктирует в обмотке синхронизации фазные ЭДС

Ед1— Етахсо80д; Ед2 — Етахсо8 (0Д — 120 ); Едз— Етахсо8 (0Д— 240 ),

где 0Д - угол поворота ротора сельсина-датчика от исходного положения (за
исходное положение примем такое, когда обмотка, образующая первую
фазу обмотки синхронизации, соосна с потоком возбуждения);

Ещах - наибольшее действующее значение фазной ЭДС обмотки синхро-
низации, соответствующее совпадению оси фазы и потока возбуждения.

Токи, проходящие под действием этих ЭДС по фазам обмотки синхрони-
зации приемника, создают пульсирующие МДС ЕпЬ Еп2 и Еп3. При повороте ро-
тора датчика на угол 0Д вектор результирующей МДС обмотки синхронизации
приемника Еп поворачивается относительно этой обмотки на угол, равный 0Д,
но в противоположную сторону. Результирующая МДС создает пульсирующий
поток Фп, который наводит в обмотках управления сельсина-приемника выход-
ную ЭДС Еу = Еутах81п0д, где Еутах- максимальное значение выходной ЭДС, со-
ответствующее совпадению направления потока Фп с осью обмотки управле-
ния. Фаза выходной ЭДС меняется дискретно на 180° через 180° угла поворота
ротора.

Нами были рассмотрены физические процессы при фиксированном угле
поворота приемника 0,, = 0, т. с. при угле рассогласования 0 = 0Д. В этом слу-
чае угол поворота потока Фп относительно оси б, перпендикулярной оси обмот-
ки управления, получился равным углу поворота потока Фп относительно об-
мотки синхронизации приемника, т. е. углу 0Д. При произвольном угле поворота
ротора приемника 0П поток Фп окажется повернутым относительно оси с! на
угол 0 = 0Д- 0П ,и выходная ЭДС будет изменяться по закону Еу= Еутах-8т0.
Это выражение является уравнением выходной характеристики Еу = Г(0)
график выходной характеристики при сопротивлении линий связи, близком к
нулю (Кл= 0), показан на рис. 5.2, б сплошной линией.

Важной характеристикой сельсинов при работе в трансформаторном ре-
жиме является крутизна сельсина-приемника, т. е. приращение выходного
напряжения Иу (ЭДС Еу при холостом ходе), приходящееся на единицу угла
рассогласования. Крутизна определяется при 0 < 5° и характеризует угол
наклона выходной характеристики в начале координат (В/град):

8П=(ЛИУ/Л0°)0.о или 8П = л/18Оо<Шу/б0оЫ.

У современных сельсинов при холостом ходе 8,,= 0,5-2 В/град.

Рис. 5.3

На рис. 5.3 изображена функциональная схема системы дистанционной
передачи угла (следящей системы) с сельсинами в трансформаторном режиме.
Выходное напряжение сельсина-приемника через усилитель мощности УМ по-
ступает на исполнительный двигатель ИД, который через редуктор Ред. пово-
рачивает объект управления ОУ, а вместе с ним и ротор сельсина-приемника на
угол, заданный датчиком. После поворота ОУ и ротора приемника на угол
0Д=0П магнитный поток сельсина-приемника Фп вновь будет перпендикулярен
к оси выходной обмотки, выходное напряжение станет равным нулю и система
будет находиться в новом положении устойчивого равновесия.

Трансформаторные системы дистанционной передачи угла в зависимости
от погрешности следования делятся на семь классов точности: в высшем классе
точности статическая погрешность не превышает ±0,1, в низшем классе стати-
ческая погрешность достигает ±30. Трансформаторные сельсины позволяют,
как правило, создавать системы с погрешностью от ±5 до ±30.

Погрешность определяется в основном конструктивными и технологиче-
скими факторами: асимметрией обмоток, неравномерностью магнитной прово-
димости вдоль окружности машины, разбросом параметров датчика и приемника
и т. д. При прочих равных условиях погрешность следования тем меньше, чем
больше крутизна 8С. Это можно объяснить следующим образом. Технологические
108
погрешности и разброс параметров датчика и приемника приводят к тому, что в
согласованном положении системы (0Д = 0) на выходе приемника появляется
добавочная ЭДС Едоб. ЭДС Едоб имеет в общем случае две составляющие: ЭДС
ошибки Еош, совпадающую по фазе с выходной ЭДС Еу, и остаточную ЭДС Еост,
сдвинутую по фазе на 90°. ЭДС ошибки может быть скомпенсирована выход-
ной ЭДС Еу путем дополнительного поворота ротора приемника на угол, при
котором Еу = — Еош. Это значит, что исполнительный двигатель следящей си-
стемы повернет объект управления и ротор приемника на угол 0Д# 0П, т. е. по-
явится угловая ошибка (погрешность следования) А0Т = ЕОШ/8Т.

Следует иметь в виду что крутизна сельсина-приемника уменьшается при
увеличении расстояния между датчиком и приемником, так как увеличивается
сопротивление линии связи Кл, уменьшается ток и поток обмоток синхрониза-
ции и снижается ЭДС Еу (пунктирная линия на рис. 5.2, б). Это накладывает
определенные ограничения на допустимое расстояние между датчиком и при-
емником (до нескольких сотен метров по длине линии связи). У трансформа-
торной системы дистанционной передачи угла могут быть и эксплуатационные
погрешности, возникающие в результате влияния условий эксплуатации на
крутизну сельсина-приемника. Изменение сопротивления нагрузки в цепи об-
мотки управления сельсина-приемника сказывается на крутизне 8П, так как ме-
няется внутреннее падение напряжения и реакции обмотки управления на по-
ток Фп. Крутизна 8П изменяется пропорционально амплитуде напряжения воз-
буждения датчика.

5.2. Поворотные (вращающиеся) трансформаторы

5.2.1. Общие сведения

Вращающимися трансформаторами называют электрические микрома-
шины переменного тока, предназначенные для преобразования угла поворота 0
в напряжение, пропорциональное некоторым функциям угла (например, 8Ш0
или СО80) или самому углу поворота ротора.

Вращающиеся трансформаторы (ВТ) применяют в аналого-цифровых
преобразователях «угол - амплитуда - код» и «угол - фаза - код» цифровых
следящих систем и систем программного управления промышленными робота-
ми и автоматами; в системах дистанционной передачи угла повышенной точно-
сти и в электромеханических вычислительных устройствах, предназначенных
для решения тригонометрических задач и преобразования координат.

Возможны несколько режимов работы вращающихся трансформаторов в
зависимости от схемы включения их обмоток:
1) синусно-косинусные ВТ, у которых выходное напряжение одной об-
мотки пропорционально синусу угла поворота ротора, а другой обмот-
ки - косинусу угла поворота ротора (СКВТ);

2) линейные ВТ, у которых выходное напряжение пропорционально углу
поворота ротора (ЛВТ); получение линейной в определенном угловом
диапазоне выходной характеристики сводится к аппроксимации пря-
мой линии функцией типа Г(0) = 8ш0/(1 + С-СО80), где С - постоянный
коэффициент;

3) масштабные ВТ, у которых выходное напряжение пропорционально
входному, и коэффициент пропорциональности (масштаб) определяет-
ся углом поворота ротора;

4) датчики и приемники трансформаторных дистанционных передач угла
(ВТДП), выполняющие функции, аналогичные трансформаторным
сельсинам;

5) преобразователи координат, осуществляющие поворот осей декарто-
вой системы координат или переход к полярной системе координат
(построители);

6) индукционные фазовращатели, осуществляющие преобразование про-
странственного угла во временной.

Основным требованием, предъявляемым к вращающимся трансформато-
рам, является максимальная точность преобразования угла в напряжение по за-
данному функциональному закону. В зависимости от условий применения к
вращающимся трансформаторам может быть предъявлен ряд специальных тре-
бований (см. введение). Большинство существующих ВТ рассчитано на номи-
нальную частоту 400 Гц, но может работать в диапазоне частот до 4000 Гц.

5.2.2. Конструкция

Вращающиеся трансформаторы в основном являются двухполюсными
машинами. Однако в аналого-цифровых преобразователях «угол - код» и си-
стемах дистанционной передачи угла повышенной точности применяют и мно-
гополюсные вращающиеся трансформаторы, которые будут рассмотрены далее.

Двухполюсные вращающиеся трансформаторы по конструкции и нали-
чию скользящего контакта можно разделить на контактные и бесконтактные.

На рис. 5.4, а, показана конструктивная схема контактного вращающегося
трансформатора. Магнитопроводы статора 1 и ротора 3 собирают из листов
электротехнической стали или пермаллоя, изолированных друг от друга лаком.
В пазах магнитопроводов статора и ротора размещают по две распределенные
обмотки, сдвинутые между собой на 90°. Обмотки статора 2 выполняют обычно
одинаковыми, т. е. у них совпадает число витков, схема соединения витков и
сечение обмоточного провода. Одинаковыми изготавливают и роторные обмот-
ки 4. Пространственное расположение обмоток показано на рис. 5.4, б; В1 - об-
мотка возбуждения, В2 - квадратурная обмотка, С и К - синусная и косинусная
обмотки. Возможны два варианта расположения обмоток: возбуждения и квад-
ратурная (первичные) на статоре, синусная и косинусная (вторичные или вы-
ходные) на роторе; и наоборот. В дальнейшем при рассмотрении принципа ра-
боты и характеристик за основу принят первый вариант расположения обмоток.

Рис. 5.4

Выводы статорных обмоток подводят непосредственно к соединительным
панелям, выводы роторных обмоток вращающихся трансформаторов контакт-
ного типа выводят через токосъемное устройство: четыре контактных кольца 5
и щетки 6.

В бесконтактных вращающихся трансформаторах напряжения с обмоток
ротора можно снимать (подавать) с помощью переходных кольцевых транс-
форматоров.В таком вращающемся трансформаторе на месте колец и щеток
располагают переходные кольцевые трансформаторы. В общем случае их
должно быть два, но при определенных схемах включения вращающихся
трансформаторов удается обойтись одним переходным трансформатором. В
двухобмоточном кольцевом трансформаторе (рис. 5.4, в) обмотки 5 и 7 распо-
ложены, соответственно, на кольцевых магнитопроводах 6 и 8. Обмотки вы-
полнены в виде сосредоточенных катушек, магнитные оси которых совпадают с
направлением вала. Вследствие концентричного расположения при повороте
ротора взаимоиндуктивность обмоток не меняется. При подаче на статорную
обмотку кольцевого трансформатора переменного однофазного напряжения по-
ток Фт наводит в его роторной обмотке неизменную по амплитуде вторичную
ЭДС. Соединив проводами роторную обмотку кольцевого трансформатора с од-
ной из основных роторных обмоток вращающегося трансформатора, можно по-
давать (или снимать) напряжение без колец и щеток. Длина бесконтактных вра-
щающихся трансформаторов больше, чем контактных, в связи с необходимостью
размещения переходных трансформаторов. Однако существенное повышение
надежности окупает этот недостаток. Конструкция вращающихся трансформа-
торов и технология их изготовления должны обеспечивать при повороте ротора
изменение взаимоиндуктивности между обмотками статора и ротора по закону,
наиболее близкому к идеальной синусоиде. Допустимое отклонение от идеаль-
ного закона во многих случаях не должно превышать 0,005 %.

5.2.3. Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы.
Принцип действия

Принцип работы вращающихся трансформаторов рассмотрим на примере
получения синусной функции угла поворота ротора.

Рис. 5.5

В этом режиме (рис. 5.5, а) обмотка возбуждения В1 присоединена к ис-
точнику переменного напряжения Ир Выходная обмотка С подключена к
внешней нагрузке, характеризуемой сопротивлением 2,,с = Кнс + ]ХНС. Квадра-
турная обмотка В2 и выходная обмотка К разомкнуты и не принимают никакого
участия в работе ВТ. Взаимоиндуктивность Мс между обмотками В1 и С изме-
няется от угла поворота ротора 0 по закону Мс = Мтах8Ш0, где Мтах - макси-
мальная взаимоиндуктивность, соответствующая совпадению осей В1 и С.

Поскольку максимальная взаимоиндуктивность пропорциональна произ-
ведению чисел витков индуктивно связанных катушек, то уравнение можно
преобразовать Мс = ЛмдЭфуу2эф 8Ш0, где Л - магнитная проводимость, значение
которой не зависит от угла поворота вследствие равномерности воздушного за-
зора; хУьфл ху2эф. - числа эффективных витков первичных и вторичных обмоток.

На основании уравнения можно утверждать, что характер изменения
взаимоиндуктивности Мс остается прежним, если число витков обмотки С
рассматривать как геометрическую сумму продольных витков ху2эф 8Ш0, ось ко-
торых совпадает с осью обмотки В1 и поперечных витков ху2эф.со80, ось кото-
рых перпендикулярна оси обмотки Вг Собственное сопротивление обмотки С,
пропорциональное квадрату чисел витков, при этом также сохраняется неиз-
менным, т. к. (\У2эф.81п0)2 + (ху2эф со80)2 = ^2эф,. Все это позволяет заменить схе-
му рис. 5.5, а, эквивалентной схемой на рис. 5.5, б.

Работа ВТ при холостом ходе (7НС = оо; 1с = 0). ЭДС Ес обмотки С опреде-
ляется только потоком взаимоиндукции между обмоткой В1 и продольными
витками \У2эф.81п 0, т. е. только продольным потоком Фа. Тогда

ЕС/ЕВ1 = \у2эф ,8т0/\У1эф.,

где ЕВ1 - ЭДС обмотки возбуждения;

Ке = ^2эф/^|Эф. - коэффициент трансформации по ЭДС.

Следовательно, Ес= КеЁВ18ш0, т. е. ЭДС обмотки С при холостом ходе ВТ
в рассматриваемой схеме является синусоидальной функцией угла поворота ро-
тора 0.

Работа ВТ при нагрузке (7НС # ш; 1с 0). Продольный поток Фа создается
совместным действием МДС обмотки возбуждения и МДС «продольных вит-
ков» синусной обмотки и примерно равен потоку в режиме холостого хода. Ин-
дуцируемая им в «продольных витках» ЭДС взаимоиндукции определяется как
и в случае холостого хода ЕсМ= Ке Ёвг8Ш0.

Ток 1с, протекая по «поперечным виткам» ху2эф 8Ш0, создает поперечный
поток Фдс, который не сцеплен с обмоткой возбуждения и значит не может быть
скомпенсирован за счет увеличения тока в ней. Поток ФС]С индуцирует в «попе-
речных витках» ЭДС самоиндукции ЁсЕ = —]'оэП1с, где со - угловая частота
напряжения питания; Е - индуктивность, пропорциональная квадрату числа
витков и магнитной проводимости А: Е = (ху2эф 81П0)2А. Полная ЭДС, индуци-
руемая в обмотке С, Ес = ЕсМ + ЕсЬ. Ток ротора 1с = ЕС/(7НС + 7С), где 2С = Кс + ]хс -
комплексное сопротивление синусной обмотки (Кс - активное сопротивление,
хс- индуктивное сопротивление рассеяния).

Находим

Ёс= КеЁв18Ш0/(1 + в-со820),
где в - комплексный множитель, в =]' -соху^эф А/(7нс+2с).

При нагрузке синусного ВТ происходит искажение синусоидального харак-
тера зависимости Ес от угла 0, т. е. появляется погрешность отображения функци-
ональной зависимости. Физически это искажение обусловлено появлением при
нагрузке поперечного потока Фчс, т. е. поперечной реакцией выходной обмотки.
Для уменьшения искажения необходимо уменьшить значение множителя в, что
может быть достигнуто при больших значениях нагрузочного сопротивления.
Поскольку множитель в является комплексным, то при изменении 0 изменяется
и фаза выходной ЭДС.

Погрешность отображения функциональной зависимости, вызванная ре-
акцией, показана на рис. 5.6, где кривая 1 - идеальная синусоида, кривая 2 -
выходная характеристика ВТ при в 0, кривая 3 представляет собой зависи-
мость погрешности ДЕС от угла поворота ротора. Графически кривая 3 получа-
ется как разность кривых 1 и 2.

Аналогичным образом можно рассуждать и в том случае, когда рабочей
выходной обмоткой является обмотка К, а обмотка С разомкнута. При этом
взаимоиндуктивность между обмотками В1 и К изменяется по закону
Мк = Мтахсо80 и машина превращается в косинусный ВТ, для которого ЭДС
при холостом ходе Ёк= КеЁВ18ш0 и при нагрузке Ёк= КеЁВ18ш0/(1 + в-со820).

5.2.4. Симметрирование вращающихся трансформаторов

Поскольку выходное напряжение вращающихся трансформаторов долж-
но строго подчиняться закону синуса или косинуса угла поворота ротора, то
приходится прибегать к так называемому симметрированию, т. е. устранению
погрешности от поперечной реакции выходных обмоток путем компенсации
этой реакции.

При первичном симметрировании вращающегося трансформатора ис-
пользуется квадратурная обмотка В2, которая замыкается на внешнее сопротив-
ление 7внВ2. Витки этой обмотки на эквивалентной схеме рис. 5.7, а, и попереч-
ные витки роторной обмотки С представляют собой трансформатор, первичной
обмоткой которого является обмотка С, а вторичной - обмотка В2. Ток 1с, про-
текая по «поперечным виткам» \у2эф со80 обмотки С, создает магнитный поток
ФВ2, сцепленный с обмоткой В2. В ней индуктируется трансформаторная ЭДС и
течет ток 1В2. Значение результирующего поперечного потока Фч определяется
геометрической суммой потоков ФВ2 и ФС]С обеих обмоток. При малом значении
2ВнВ2 режим трансформатора близок к короткому замыканию и взаимное раз-
магничивающее действие обеих обмоток настолько велико, что значение ре-
зультирующего поперечного потока Фч стремится к нулю при любом значении
сопротивления нагрузки 7НС. Можно доказать, что влияние поперечной реакции
исчезает полностью, если включить в цепь обмотки В2 сопротивление
7внВ2 = 2внвь гДе ^внВ1 - внешнее сопротивление источника питания. Если ВТ
подключен к выводам мощного источника питания, выходное сопротивление
которого близко к нулю, то условием первичного симметрирования является
7внВ2 = 0- Как видно, условие симметрирования от сопротивления нагрузки не
зависит.

д\ Продольная ось
обмотки возбуждения

ф*

Поперечная ось
обмотки возбуждения

Рис. 5.7

Следует отметить, что при первичном симметрировании входное сопро-
тивление вращающегося трансформатора зависит от угла поворота ротора. Это
затрудняет применение ВТ с первичным симметрированием в многоступенча-
тых схемах.
При вторичном симметрировании вращающегося трансформатора, об-
мотка С которого подключена к приемнику с входным сопротивлением 7НС,
включается соответствующее сопротивление 7ИК и в цепь второй выходной
обмотки К. Из эквивалентной схемы рис. 5.7, б, видно, что токи 1с и 1к, протекая
по «поперечным виткам» ху2эф8Ш0, создают поперечные потоки Фчс и Фчк,
направленные в противоположенные стороны, т. е. взаимно ослабляющие друг
друга. Для полной компенсации поперечного потока (Фч = 0) необходимо ра-
венство поперечных потоков ФС]С и Фчк, т. е. должно соблюдаться равенство
ЭДС поперечных витков 1с\у2эф.со80 = 1к\у2эф 8Ш0. Это равенство справедливо
только при 2ИС + 2С = 7НК + /к. Выражение является условием полной компенса-
ции поперечной реакции при вторичном симметрировании вращающегося
трансформатора. При выполнении условия вторичного симметрирования вход-
ное сопротивление вращающегося трансформатора не зависит от угла поворота
ротора.

Применение вторичного симметрирования затрудняется при переменной
нагрузке вращающегося трансформатора, так как ее значение входит в условие
симметрирования (рис. 5.1, б). Наименьшая степень искажения выходных ха-
рактеристик синусно-косинусного вращающегося трансформатора достигается
при совместном применении первичного и вторичного симметрирования. Итак,
при выполнении условий симметрирования ЭДС выходных обмоток и при
нагрузке будут изменяться строго по закону синуса и косинуса от угла поворота
ротора 0. Очевидно, по этому же закону будут изменяться и выходные напря-
жения; максимальное значение этих напряжений зависит от значения и харак-
тера нагрузочного сопротивления. Коэффициент трансформации ВТ по напря-
жению Ки, равный отношению наибольшего выходного напряжения к напряже-
нию возбуждения, несколько отличается от отношения чисел витков Кс. Фаза
выходного напряжения симметричного СКВТ отличается от фазы напряжения
возбуждения 1Д на угол ср и дискретно меняется на 180° через 180° угла пово-
рота ротора. При соблюдении условия симметрирования выходные напряжения
можно записать в виде Ис = КиИ18ш0, Ц<= КиИ1СО80, где коэффициент транс-
формации по напряжению в комплексной форме Ки = Кце19.

Точный расчет значения и фазы выходного напряжения может быть вы-
полнен по эквивалентным схемам.

5.2.5. Погрешности и классы точности ВТ

Принципиальные погрешности СКВТ - это отклонение выходных ха-
рактеристик от синусоидальной и косинусоидальной вследствие неточности
симметрирования; у линейных - отклонение выходной характеристики от ли-
нейной вследствие неточности аппроксимации.
Конструктивные погрешности вызываются в основном несинусоидально-
стью распределения МДС обмоток вдоль окружности машины, изменением маг-
нитного сопротивления воздушного зазора вследствие наличия пазов на поверх-
ности статора и ротора, нелинейностью кривой намагничивания и явлением
гистерезиса. Уменьшение этих погрешностей достигается путем применения
специальных синусных схем обмоток, за счет скоса пазов статора и ротора, вы-
полнения магнитопровода ВТ ненасыщенным из пермаллоя с узкой петлей
намагничивания.

Основными источниками технологических погрешностей являются экс-
центриситет расточек статора и ротора, асимметрия магнитопровода, неточ-
ность расположения и скоса пазов, наличие короткозамкнутых витков в обмот-
ках и листов в магнитопроводе, ошибки при выполнении обмотки. Для умень-
шения этих погрешностей устанавливаются жесткие технологические допуски.

Влияние технологических погрешностей можно представить как появле-
ние некоторой добавочной ЭДС ЕДОб в выходных обмотках. ЭДС ЕДОб имеет в
общем случае две составляющие: ЭДС (напряжение) ошибки Еош, совпадаю-
щую по фазе с выходной ЭДС, и остаточную ЭДС Еост, сдвинутую по фазе на
90°. Е[ри этом в расчетных точках с нулевым выходным напряжением (нулевых
положениях) ЭДС становится отличной от нуля. ЭДС ошибки Еош может быть
скомпенсирована основной выходной ЭДС путем дополнительного поворота
ротора на угол, при котором Евых= — Еош, т. е. обуславливает асимметрию нуле-
вых положений. Остаточная ЭДС Еост не компенсируется дополнительным по-
воротом ротора. Поэтому во вращающихся трансформаторах выходное напря-
жение не обращается в нуль в пределах оборота, а лишь приобретает некоторое
минимальное значение. Остаточная ЭДС приводит к изменению фазы выход-
ной ЭДС при изменении угла поворота ротора. Технологические погрешности
приводят также к тому, что поток возбуждения наводит ЭДС в квадратурной
обмотке ВТ.

К эксплуатационным погрешностям относятся, например, температурная
погрешность, связанная с изменением активных сопротивлений обмоток при
изменении температуры. Колебание частоты напряжения питания вызывает из-
менение индуктивных сопротивлений.

Класс точности вращающихся трансформаторов устанавливается для
нормальных условий эксплуатации. При определении класса точности учиты-
ваются следующие показатели:

1) погрешность отображения функциональной зависимости, определяе-
мая по отношению к наибольшей выходной ЭДС; у СКВТ различных
классов погрешность допускается от 0,005 до 0,2 %, у ЛВТ - от 0,02 до
0,2 %;
2) асимметрия нулевых положений ротора ВТ, под которой понимается от-
клонение действительных нулевых положений ротора от теоретических
0°, 90°, 180° и 270°; у СКВТ различных классов асимметрия допуска-
ется от 10" до 6' 40";

3) ЭДС квадратурной обмотки, определяемая по отношению к напряже-
нию возбуждения; у СКВТ различных классов допускается от 0,04 до
1,2%;

4) остаточная ЭДС, определяемая по отношению к наибольшей выходной
ЭДС; у СКВТ различных классов допускается от 0,03 до 0,1 %; у ЛВТ -
от 0,02 до 0,3 %;

5) разность коэффициентов трансформации выходных обмоток, опреде-
ляемая по отношению к наибольшему из этих коэффициентов; у СКВТ
различных классов допускается от 0,005 до 0,2 %.

Класс точности устанавливается по наихудшему из параметров. В заклю-
чении следует отметить, что в данном параграфе были рассмотрены только ста-
тические характеристики ВТ, поскольку в динамическом отношении в подавля-
ющем большинстве случаев их можно считать усилительными звеньями.

5.3. Многополюсные преобразователи угла

5.3.1. Общие сведения

В системах автоматического управления и контроля наибольшее распро-
странение получили три типа многополюсных электромашинных преобразова-
телей угла: многополюсные вращающиеся трансформаторы, индукционные ре-
дуктосины и индуктосины.

Как будет показано далее, многополюсные преобразователи позволят по-
высить точность преобразования и передачи угла путем создания двухканаль-
ных систем: с каналом грубого отсчета на двухполюсных ВТ и каналом точного
отсчета на многополюсных преобразователях.

Многополюсные ВТ имеют такую же конструктивную схему, что и двух-
полюсные (см. рис. 5.4). Отличие заключается в том, что обмотки статора и ро-
тора выполняются многополюсными (рм > 1) и их взаимоиндуктивность изме-
няется по закону Мс = Мтах8шрм0; Мк= Мтахсо8рм0.

Соответственно уравнения, полученные для двухполюсных ВТ, справед-
ливы и для симметричных многополюсных вращающихся трансформаторов,
если характеристики рассматривать в функции электрического угла 0,= рм0.

Выпускаются и так называемые двухканальные ВТ. у которых на статоре
и роторе в единой магнитной системе расположены двух- и многополюсные
обмотки. Если двухполюсная и многополюсная обмотки создают синусоидаль-
но распределенные ЭДС, то между ними нет потокосцепления взаимоиндукции
и работа каналов является независимой. При этом снижаются габариты и масса
устройства, упрощается совмещение нулей каналов грубого и точного отсчета.

Индукционные редуктосины - это по сути многополюсные вращающие-
ся трансформаторы с безобмоточным ротором. Статор редуктосина выполняет-
ся из листовой электротехнической стали или пермаллоя и имеет большое чис-
ло зубцов 71 на внутренней поверхности. Ротор выполняется в виде зубчатого
колеса из электротехнической стали или также изготавливается из листового
материала. Поскольку редуктосины часто используются в аналого-цифровых
преобразователях, число зубцов ротора 72 делают равным 2П (32, 64, 128). Со-
отношение 71/72 может быть различным. В любом случае редуктосин состоит
из определенного числа повторяющихся (элементарных) редуктосинов, равного
наибольшему общему делителю 71 и 72.

Рис. 5.8

На рис. 5.8, а, в качестве примера изображена конструктивная схема по-
вторяющейся части при 71/72= 5/4.

Первичная обмотка возбуждения В и выходные синусная С и косинусная К
обмотки расположены на статоре. Катушки обмотки возбуждения размещены на
каждом из зубцов, катушки выходных обмоток чередуются друг с другом. Вы-
ходные обмотки имеют дифференциальную схему соединения катушек,
т. е. в каждой из пар катушки включены встречно по отношению к катушкам
возбуждения. При протекании переменного тока по обмотке возбуждения созда-
ется поток, который наводит ЭДС взаимоиндукции во всех катушках выходных
обмоток. ЭДС взаимоиндукции каждой катушки выходной обмотки определяется
взаимоиндуктивностью с катушкой возбуждения, расположенной на том же зуб-
це, взаимоиндуктивность в свою очередь определяется проводимостью воздуш-
ного зазора под зубцом. В редуктосине эта проводимость Л является функцией
угла поворота ротора 0 (рис. 5.8) и имеет постоянную Ло и переменную Лпер со-
ставляющие; последняя изменяется с периодом 360°/72. При дифференциальной
схеме ЭДС взаимоиндукции, определяемые проводимостью Ло, в парах катушек
вычитается, а проводимостью Лпер - складываются. Результирующие взаимоин-
дуктивности выходных обмоток будут изменяться по закону Мс = Мтах8ш720;
Мк = Мтахсо8720.

В индукционном редуктосине число пар полюсов электромагнитной си-
стемы рм равно числу зубцов ротора.

В реальных индукционных редуктосинах с целью уменьшения погрешно-
сти отображения функциональной (синусоидальной и косинусоидальной) зави-
симости выходные обмотки выполняются с «синусной» схемой распределения
витков по катушкам, и катушки каждой из обмоток располагаются на всех зуб-
цах. Существенным достоинством индукционных редуктосинов является высо-
кая надежность благодаря отсутствию скользящих контактов. Однако уровень
сигнала у них ниже, чем у классических многополюсных ВТ.

Поворотный индуктосин представляет собой многополюсный поворот-
ный трансформатор с плоским, а не цилиндрическим воздушным зазором и пе-
чатными обмотками на статоре и роторе (рис. 5.9, а).

В корпусе 1 расположены два диска - статор 2 и ротор 3, выполненные из
изоляционного материала: керамики, стекла или пластмассы. На торцевых по-
верхностях дисков, обращенных друг к другу, расположены печатные обмотки,
выполненные методом фотолитографии. На роторе (рис. 8.9, б) обычно распо-
ложена однофазная обмотка возбуждения, у которой число проводников равно
требуемому числу полюсов. Число пар полюсов в зависимости от области при-
менения либо делают равным 2П (32-256), либо 180, 360. Напряжение перемен-
ного тока подается на обмотку ротора через контактные кольца 5, укрепленные
на валу 4, и щетки 6 (рис. 5.9, а). На статоре расположены две многополюсные
обмотки, сдвинутые на электрический угол 90°, - синусная и косинусная. При
120
подаче переменного напряжения на обмотку возбуждения по ней течет ток и
создается магнитный поток Ф, который наводит ЭДС взаимоиндукции в выход-
ных обмотках статора. При повороте ротора изменяется взаимоиндуктивность
обмоток статора и ротора и соответственно наводимые в обмотках статора ЭДС.
При соответствующем выборе ширины проводников, их скоса и шага катушек
взаимоиндуктивность будет изменяться по гармоническому закону.

Достоинствами индуктосинов являются простота конструкции, высокая
технологичность и точность изготовления обмоток методами фотолитографии,
отсутствие влияния нестабильности характеристик ферромагнитных материа-
лов. У современных индуктосинов асимметрия нулевых положений не превы-
шает 1-3 угловых секунд. Недостатком индуктосинов является низкий уровень
выходного сигнала-порядка 10-20 мВ. Объясняется это отсутствием магнито-
проводов - мал поток Ф, и малым числом витков в выходных обмотках, а, как
известно трансформаторная ЭДС Е = 4,44ГФт\у. Уровень выходного сигнала
может быть повышен за счет частоты Г, поэтому современные индуктосины ра-
ботают на частотах до 10-100 кГц.

В заключение следует отметить, что в настоящее время изготавливаются
также ушне/шыередуктосины и индуктосины, непосредственно измеряющие ли-
нейные перемещения. Электромагнитная система таких устройств представляет
собой развернутую на плоскости электромагнитную систему соответствующих
поворотных устройств.

5.4. Первичные преобразователи (датчики).

Классификация датчиков, основные требования к ним

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное
управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют много-
численных измерений разнообразных физических величин.

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными или
первичными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элемен-
тами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о па-
раметрах контролируемой системы или устройства.

Датчик - это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или
управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (темпе-
ратуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т. д.) в
сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а
иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик -
это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической вели-
чины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифици-
рованы по различным признакам:

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают:
датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические,
электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температу-
ры, давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределе-
ние доли измерений различных физических величин в промышленности: тем-
пература - 50 %, расход (массовый и объемный) - 15 %, давление - 10 %, уро-
вень - 5 %, количество (масса, объем) - 5 %, время - 4 %, электрические и маг-
нитные величины - менее 4 %.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная ве-
личина, различают неэлектрические и электрические', датчики постоянного то-
ка (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или
напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), дат-
чики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено сле-
дующими достоинствами электрических измерений:

- электрические величины удобно передавать на расстояние, причем пе-
редача осуществляется с высокой скоростью;

- электрические величины универсальны в том смысле, что любые дру-
гие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высо-
кой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генера-
торные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики
осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электри-
ческий сигнал.

Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение
какого-либо электрического параметра (К, Ь или С) датчика.

По принципу действия датчики также можно разделить на омические,
реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкост-
ные и др.

Различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сиг-
нал, пропорционально изменению входной величины;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или
двоичное слово;
- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только
двух уровней: «включено/выключено» (иначе говоря, 0 или 1); полу-
чили широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам:

- однозначная зависимость выходной величины от входной;

- стабильность характеристик во времени;

- высокая чувствительность;

- малые размеры и масса;

- отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на
контролируемый параметр;

- работа при различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа.

Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную величину X
преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (К, Ь или С)
датчика. Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика
без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить из-
менение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции дат-
чика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характери-
зуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения
специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным
током.

Омические (резистивные) датчики - принцип действия основан на из-
менении их активного сопротивления при изменении длины 1, площади сечения
8 или удельного сопротивления р: К = р1/8. Кроме того, используется зависи-
мость величины активного сопротивления от контактного давления и освещён-
ности фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на: кон-
тактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморе-
зисторные, фоторезисторные.

Контактные датчики - это простейший вид резисторных датчиков, ко-
торые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изме-
нение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков
измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объек-
тов, контролируют их форму и т. д.

К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели, кон-
тактные термометры и так называемые электродные датчики, используемые в
основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.

Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на перемен-
ном токе. В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть
одно предельными и многопредельными. Последние используют для измерения
величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части резистора К,
включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются.

Недостаток контактных датчиков - сложность осуществления непрерыв-
ного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря
предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автома-
тики.

Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся ак-
тивным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение
контакта, а выходной - изменение его сопротивления. Подвижный контакт ме-
ханически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого
необходимо преобразовать.

Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема вклю-
чения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя
напряжения. Напомним, что делителем напряжения называют электротехниче-
ское устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части;
делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющего-
ся напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из рези-
сторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор,
включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.

Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных
приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или
напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, раз-
личных манометрах и т. п.

Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие зна-
чительной нелинейности его статической характеристики 1н = Г(х), где 1н - ток в
нагрузке.

Выходной величиной такого датчика является падение напряжения Ивых
между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходно-
го напряжения от перемещения х контакта Ивых = Г(х) соответствует закону из-
менения сопротивления вдоль потенциометра.

Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определя-
емый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным.

Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой
переменные резисторы, выполняют из различных материлов - обмоточного
провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.

Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для измерения ме-
ханических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензоре-
зисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного
сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздей-
ствием приложенных к ним усилий.

Термометрические датчики (терморезисторы) - сопротивление зави-
сит от температуры.

Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами:

1) температура терморезистора определяется окружающей средой; ток,
проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает
нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор использует-
ся как датчик температуры и часто называется «термометром сопро-
тивления»;

2) температура терморезистора определяется степенью нагрева постоян-
ным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае уста-
новившаяся температура определяется условиями теплоотдачи по-
верхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды -
газа или жидкости - относительно терморезистора, ее плотностью,
вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть ис-
пользован как датчик скорости потока, теплопроводности окружаю-
щей среды, плотности газов и т. и.

В датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразова-
ние: измеряемая величина сначала преобразуется в изменение температуры
терморезистора, которое затем преобразуется в изменение сопротивления.

Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из полупро-
водников. Материал, из которого изготавливается такие датчики, должен обла-
дать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности
линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизво-
димостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В
наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть
меньшей - медь и никель.

По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чув-
ствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).

Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информа-
ции о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т. и. и
преобразования этой информации в электрический сигнал.

Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктив-
ности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных эле-
ментов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное
или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение ин-
дуктивности (X) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных пе-
ремещений, деформаций, контроля размеров и т. д.
В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку
индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) пере-
мещается под действием измеряемой величины.

Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токо-
проводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не тре-
бует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения элек-
тромагнитного поля.

Преимущества: нет механического износа, отсутствуют отказы, связан-
ные с состоянием контактов; отсутствует дребезг контактов и ложные срабаты-
вания; высокая частота переключений до 3000 Их; устойчив к механическим
воздействиям.

Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость ин-
дуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное
обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения
якоря к сердечнику).

Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости элек-
трической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его об-
кладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость
определяется выражением:

С = е0е8/11,

где е0 - диэлектрическая постоянная;

е - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обклад-
ками;

8 - активная площадь обкладок;

11 - расстояние между обкладками конденсатора.

Зависимости С(5) и С(/?) используют для преобразования механических
перемещений в изменение емкости.

Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным
напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В каче-
стве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с ис-
пользованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, ис-
пользуют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного
контура, т. е. датчик имеет частотный выход.

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и
малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей,
относительная сложность измерительных устройств.
Емкостные датчики применяют для измерения угловых перемещений,
очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а
также для воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообразных,
прямоугольных и т. п.).

Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость е которых
изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлек-
трика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпу-
чих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов
(толщиномеры), а также контроля влажности и состава вещества.

Датчики - генераторы. Генераторные датчики осуществляют непосред-
ственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие
датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в
электрический сигнал, т. е. они являются как бы генераторами электроэнергии
(откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал).

Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков
принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия
может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразо-
вания в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются тер-
моэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и
многие другие типы датчиков.

Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую ве-
личину в ЭДС индукции. Принцип действия датчиков основан на законе элек-
тромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоян-
ного и переменного тока, представляющие собой небольшие электромашинные
генераторы, у которых выходное напряжение пропорционально угловой скоро-
сти вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики уг-
ловой скорости.

Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую
в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна ско-
рости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением ско-
рости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости
(частоты вращения).

Температурные датчики. В современном промышленном производстве
наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атом-
ной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых про-
изводится такое измерение, а на крупном предприятии химической промыш-
ленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон
измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измере-
ний и требований к ним определяют многообразие применяемых средств изме-
рения температуры.
Если рассматривать датчики температуры для промышленного примене-
ния, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температу-
ры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоинди-
каторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфра-
красные датчики.

Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротив-
ления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых
температур —50. ..+150 °С. Применяются в основном для измерения температу-
ры внутри электронных приборов.

Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических
пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный темпе-
ратурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы
нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электри-
ческие контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметал-
лических датчиков —40...+550 °С. Используются для измерения поверхности
твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения - авто-
мобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Термоиндикаторы - это особые вещества, изменяющие свой цвет под
воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необра-
тимым. Производятся в виде пленок.

Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия термопреоб-
разователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электри-
ческого сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от тем-
пературы (рассмотрен ранее).

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур
в пределах от -260 до 1100 °С. Широкое распространение на практике получи-
ли более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость
сопротивления от температуры.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и лег-
кая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел
применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой
180 °С. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморе-
зисторы уступают платиновым. Никель используется в недорогих датчиках для
измерения в диапазоне комнатных температур.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют отрицательный
или положительный температурный коэффициент сопротивления, значение
которого при 20 °С составляет (2...8)-10“2 (°С)-1, т. е. на порядок больше, чем у
меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых раз-
мерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве
полупроводникового материала используются оксиды металлов: полупровод-
никовые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов кобальта и марганца и
ММТ - меди и марганца.

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильно-
стью характеристик во времени и применяются для изменения температур в
диапазоне от -100 до 200 °С.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) - принцип действия
термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что
при наличии разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных
металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила,
называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном
интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна
разности температур ДТ = Т1 - То между спаем и концами термопары.

Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, тем-
пература которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы,
которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют про-
водами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру
этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-
ЭДС Ет будет зависеть только от температуры Т1 рабочего конца.

Пвых = Ет = С(Т1-Т0),
где С - коэффициент, зависящий от материала проводников термопары.

Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает
8 мВ на каждые 100 °С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ.
Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от -200 до 2200 °С.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических пре-
образователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

Термопары имеют следующие преимущества', простота изготовления и
надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и воз-
можность измерений в большом диапазоне температур.

Наряду с этим, термопарам свойственны и некоторые недостатки -
меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной
тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру
свободных концов и необходимость в применении специальных соединитель-
ных проводов.

Инфракрасные датчики (пирометры) - используют энергию излучения
нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии.
Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.
Радиационные пирометры используются для измерения температуры от
20 до 2500 °С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения
реального объекта.

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения темпе-
ратур от 500 до 4000 °С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра
яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометри-
ческой лампы).

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей
излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части
спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 °С.

Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах
и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчи-
ки уже не работают.

Кварцевые термопреобразователи. Для измерения температур от - 80
до 250 °С часто используются так называемые кварцевые термопреобразовате-
ли, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от
температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость часто-
ты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования из-
меняются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла
кварца. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

Пьезоэлектрические датчики. Действие пьезоэлектрических датчиков
основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), за-
ключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на
их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональ-
на действующей силе.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вы-
зывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его
соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое об-
ратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических
колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Используются для измерения
сил, давления, вибрации и т. д.

Оптические (фотоэлектрические) датчики. Различают аналоговые и
дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал
изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область при-
менения - автоматизированные системы управления освещением.

Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противопо-
ложное при достижении заданного значения освещенности.

Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех
отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как
своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, пози-
ционирования и других задач на любой технологической линии.

Оптический бесконтактный датчик, регистрирует изменение светового
потока в контролируемой области, связанное с изменением положения в про-
странстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или
присутствия объектов. Благодаря большим расстояниям срабатывания оптиче-
ские бесконтактные датчики нашли широкое применение в промышленности
и не только.

Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных
узлов, приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в од-
ном корпусе, так и в различных корпусах.

По методу обнаружения объекта фотоэлектрические датчики подраз-
деляются на 4 группы:

1. Пересечение луча - в этом методе передатчик и приемник разделены
по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на
рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоян-
но посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал
датчика прекращается, вследствие перекрытия сторонним объектом, приемник
немедленно реагирует меняя состояние выхода.

2. Отражение от рефлектора - в этом методе приемник и передатчик дат-
чика находятся в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор
(отражатель). Датчики с рефлектором устроены так, что благодаря поляризаци-
онному фильтру они воспринимают отражение только от рефлектора. Это ре-
флекторы, которые работают по принципу двойного отражения. Выбор подхо-
дящего рефлектора определяется требуемым расстоянием и монтажными воз-
можностями.

Посылаемый передатчиком световой сигнал отражаясь от рефлектора по-
падает в приемник датчика. Если световой сигнал прекращается, приемник не-
медленно реагирует, меняя состояние выхода.

3. Отражение от объекта - в этом методе приемник и передатчик датчика
находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты,
попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как
только световой луч, отразившись от объекта, попадает на приемник датчика,
тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

Фиксированное отражение от объекта - принцип действия датчика та-
кой же как и у «отражение от объекта» но более чутко реагирующий на откло-
нение от настройки на объект. Например, возможно детектирование вздутой
пробки на бутылке с кефиром, неполное наполнение вакуумной упаковки с
продуктами и т. д.
По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: дат-
чики общего применения и специальные датчики. К специальным, относятся ти-
пы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К приме-
ру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы,
наличие этикетки на прозрачной упаковке и т. д. Задача датчика обнаружить
объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3 мм - 50 м, в
зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.

Микроволновые датчики. На смену кнопочно-релейным пультам при-
ходят микропроцессорные автоматические системы управления технологиче-
ским процессом (АСУ ТП) высочайшей производительности и надежности,
датчики оснащаются цифровыми интерфейсами связи, однако это не всегда
приводит к повышению общей надежности системы и достоверности ее работы.
Причина заключается в том, что сами принципы действия большинства извест-
ных типов датчиков накладывают жесткие ограничения на условия, в которых
они могут использоваться. Например, для слежения за скоростью движения
промышленных механизмов широко применяются бесконтактные (емкостные и
индуктивные), а также тахогенераторные устройства контроля скорости (УКС).
Тахогенераторные У КС имеют механическую связь с движущимся объектом, а
зона чувствительности бесконтактных приборов не превышает нескольких сан-
тиметров.

Все это не только создает неудобства при монтаже датчиков, но и суще-
ственно затрудняет использование этих приборов в условиях пыли, которая
налипает на рабочие поверхности, вызывая ложные срабатывания. Перечислен-
ные типы датчиков не способны напрямую контролировать объект (например,
ленту конвейера) - они настраиваются на движение роликов, крыльчаток,
натяжных барабанов и т. д. Выходные сигналы некоторых приборов настолько
слабы, что лежат ниже уровня промышленных помех от работы мощных элек-
трических машин.

Аналогичные трудности возникают при использовании традиционных сиг-
нализаторов уровня - датчиков наличия сыпучего продукта. Такие устройства
необходимы для своевременного отключения подачи сырья в производственные
емкости. К ложным срабатываниям приводит не только налипание и пыль, но и
прикосновение потока продукта при его поступлении в бункер. В неотапливае-
мых помещениях на работу датчиков влияет окружающая температура. Ложные
срабатывания сигнализаторов вызывают частые остановки и запуски нагружен-
ного технологического оборудования - основную причину его аварий, приводят к
завалам, обрыву конвейеров, возникновению пожаро- и взрывоопасных ситуаций.

Указанные проблемы несколько лет назад привели к разработке принципи-
ально новых типов приборов - радиолокационных датчиков контроля скорости,
датчиков движения и подпора, работа которых основана на взаимодействии
контролируемого объекта с радиосигналом частотой около 1О10 Гц.

Использование микроволновых методов контроля за состоянием техноло-
гического оборудования позволяет полностью избавиться от недостатков дат-
чиков традиционных типов.

Отличительными особенностями этих устройств являются:

- отсутствие механического и электрического контакта с объектом (сре-
дой), расстояние от датчика до объекта может составлять несколько
метров;

- непосредственный контроль объекта (транспортерной ленты, цепи) а
не их приводов, натяжных барабанов и т. д.;

- малое энергопотребление;

- нечувствительность к налипанию продукта за счет больших рабочих
расстояний;

- высокая помехоустойчивость и направленность действия;

- разовая настройка на весь срок службы;

- высокая надежность, безопасность, отсутствие ионизирующих излуче-
ний.

Принцип действия датчика основан на изменении частоты радиосигнала,
отраженного от движущегося объекта. Это явление (эффект Допплера) широко
используется в радиолокационных системах для дистанционного измерения
скорости. Движущийся объект вызывает появление электрического сигнала на
выходе микроволнового приемо-передающего модуля.

Так как уровень сигнала зависит от свойств отражающего объекта, датчики
движения могут использоваться для того, чтобы сигнализировать об обрыве це-
пи (ленты), наличии на конвейерной ленте каких-либо предметов или материа-
лов. Лента имеет гладкую поверхность и низкий коэффициент отражения. Когда
мимо датчика, установленного над рабочей веткой транспортера, начинает дви-
гаться продукт, увеличивая коэффициент отражения, прибор сигнализирует
о движении, то есть, фактически о том, что лента не пуста. По длительности
выходного импульса можно на значительном расстоянии судить о размере пе-
ремещаемых предметов, производить селекцию и т. д.

При необходимости заполнить какую-либо емкость (от бункера до шах-
ты) можно точно определить момент окончания засыпки - опущенный на опре-
деленную глубину датчик будет показывать движение наполнителя до тех пор,
пока не будет засыпан.

Конкретные примеры использования микроволновых датчиков движения в
различных отраслях промышленности определяются ее спецификой, но в целом
они способны решать самые разнообразные задачи безаварийной эксплуатации
оборудования и повысить информативность автоматизированных систем
управления.

Схемы включения датчиков. Непосредственное использование выход-
ного сигнала датчика для воздействия на последующие элементы автоматиче-
ской системы (и даже для непосредственного измерения и сравнения) не всегда
возможно. Преобразование выходной величины датчика в удобный для после-
дующего использования осуществляется в измерительных схемах.

Для датчиков с аналоговым выходом широко используют мостовые,
дифференциальные и компенсационные схемы включения датчиков.

Мостовые схемы применяют преимущественно совместно с датчиками,
работа которых основана на изменении активного и реактивного сопротивлений.

Дифференциальная схема состоит из двух смежных контуров, в каждом
из которых действует отдельная ЭДС. Измерительный прибор, включаемый в
ветвь, общую для обоих контуров, реагирует на разность контурных токов. Ко-
гда внешнего воздействия нет, то ЭДС и сопротивления контуров равны, токи
равны и ток через прибор равен нулю. Изменение параметров датчика пропор-
ционально показаниям измерительного прибора.

Для измерений малых ЭДС, например, создаваемых генераторными дат-
чиками, используется компенсационная схема. Принцип компенсации заклю-
чается в том, что измеряемая ЭДС уравновешивается равным и противополож-
ным по знаку падением напряжения, значение которого может быть установле-
но и определено с высокой точностью.

5.5. Вопросы для самопроверки

1. Что такое сельсины?

2. Какими могут быть сельсины?

3. Как работает однофазный сельсин?

4. Устройство сельсина.

5. Принцип действия сельсина.

6. Что такое бесконтактные сельсины?

7. Что такое датчики?

8. Как различаю датчика в зависимости от вида входной (измеряемой) ве-
личины?

9. На какие класса по принципу действия можно разделить датчики?

10. На какие классы различают датчики?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Микаева С. А., Овчукова С. А. Общая электротехника (I часть). Учеб, по-
собие. М.: МГУПИ, 2008. 132 с.

2. Волынский Б. А., Зейн Е. Н., Шатерников В. Е. Электротехника. Учеб, по-
собие. М.: Энергоатомиздат, 1987. 528 с.

3. Рекус Г. Г., Белоусов А. И. Сборник задач и упражнений по электротехни-
ке и основам электроники. М.: Высшая школа, 2001. 416 с.

4. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. М.: Высшая школа, 2000.
542 с.

5. Борисов Ю. М., Липатов Д. Н., Зорин Ю. Н. Электротехника. М.: Энерго-
атомиздат, 1985. 552 с.

6. Герасимов В. Г. Электротехника. М.: Высшая школа, 1985. 480 с.

7. Новгородцева А. Б. Типовые задачи по теории электрических цепей: Учеб,
пособие. СПб.: ГТУ, 1991. 332 с.

8. Прянишников В. А. Теоретические основы электротехники. Курс лекций.
СПб: Корона, 2000.

9. Прянишников В. А. Электроника. Курс лекций. СПб: Корона, 2000.

10. Микаева С. А. Экспериментальные исследования характеристик перспек-
тивных источников света, приборов и систем. М. РУСАЙНС, 2017. 136 с.

И. Микаева С. А. Повышение качества технологии производства приборов,
установок и систем на базе перспективных источников света. М. Московский
технологический ун-т (МИРЭА), 2017. 150 с.

12. Микаева С. А. Производство приборов и систем с новейшими источниками
света. М.: РУСАЙНС, 2018. 135 с.

13. Брысин А. Н., Микаева С. А. Промышленная электроника. Импульсные
устройства и основы микропроцессорной техники. - Казань: Бук, 2019. - С. 252.

14. Микаева С. А., Микаева А. С. Современные электронные системы и
устройства. - М.: РУСАЙНС, 2019, с. 186.

15. Микаева С. А., Микаева А. С. Промышленная электроника. Актуальные
электронные приборы, устройства, установки и ситемы. - М.: РУСАЙНС, 2020,
с. 172.

16. Микаева С. А., Брысин А. Н. Электротехника. Казань, Издательство «Бук»,
2018. С. 228.

17. Микаева С. А., Родюков М. С., Брысин А. Н. Электротехника. МИРЭА. М.,
2018. С.124.
18. Микаева С. А., Микаева А. С. Промышленная электроника. Расчетные и
экспериментальные исследования, разработки, конструкции и технологии про-
изводства электронных приборов. РУ САИНС: М., 2021. С. 197.

19. Микаева С. А., Микаева А. С. Промышленная электроника. Разработки
конструкций и технологии производства оптико-электронных приборов, уста-
новок и систем. РУСАЙНС: М., 2022. С. 188.

20. Микаева С. А., Микаева А. С. Промышленная электроника. Промышлен-
ные электронные устройства. Процессы контроля промышленных электронных
устройств. РУСАЙНС: М., 2023. С. 266.

21. Железникова О. Е., Коваленко О. Ю., Микаева С. А., Овчукова С. А., Жу-
равлева Ю. А. Облучательная техника. Источники излучения, облучательные
приборы и установки. Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. С. 142.

22. Брысин А. Н., Журавлева Ю. А., Микаева С. А. Электроника и схемотех-
ника. Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. С. 184.

23. Брысин А. Н., Микаева С. А. Промышленная электроника. Аналоговые
электронные устройства, используемые в элементах автоматики. Москва ; Во-
логда : Инфра-Инженерия, 2023. С. 272.
Книги почтой

Заказ можно сделать на сайте издательства
т{га-е. ги

№ п/п Наименование книги
1 Авиационные радиоэлектронные системы и комплексы и основы их применения
2 Выпрямительные устройства в силовой электронике
3 Источники вторичного электропитания. Издание 4-е
4 Конструирование источников питания звуковых усилителей
5 Материалы и устройства наноэлектроники. Электроника после Мура
6 Методы проектирования электронных устройств
7 Микродатчики и микросистемы
8 Микропроцессоры
9 Микроэлектроника и схемотехника
10 Наноэлектроника, нанофотоника и микросистемная техника
11 Основы микропроцессорной техники
12 Основы микросенсорики
13 Основы технологии электронной компонентной базы
14 Основы электроники
15 Основы электроники. Издание 2-е
16 Основы электротехники и электроники. Практикум
17 Производство гибридных интегральных схем
18 Силовая электроника. Выпрямители
19 Системы интеллектуального электропривода переменного тока с релейными регуляторами и адаптивными корректирующими устройствами
20 Технологические процессы в микро- и наноэлектронике
21 Технология интегральных микросхем
22 Устройства и модули сверхвысоких частот
23 Физика полупроводниковых приборов
24 Физические основы микроэлектроники
25 Физические основы нанотехнологий и наноматериалы
26 Электроника
27 Электронная аппаратура. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Силовые модули
28 Электронная аппаратура. Диоды и тиристоры, их особенности и применение. Оптоэлектронные приборы
29 Электронная аппаратура. Основные материалы и технологии микро- и наноэлектроники
30 Электронная аппаратура. Основные положения электроники. Радио- и электротехнические материалы и изделия
31 Электронная аппаратура. Пассивные компоненты схем: резисторы, предохранители, конденсаторы. Термоэлектрические устройства
32 Электронная аппаратура. Пассивные электромагнитные компоненты и элементы схем. Электромагнитная совместимость. Основы магнитоэлектроники

Учебное издание

Микаева Светлана Анатольевна

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
УСТРОЙСТВА

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Учебное пособие

18ВЫ 978-5-9729-1745-7

Подписано в печать 29.08.2023
Формат 60x84/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймс».

Издательство «Инфра-Инженерия»
160011, г. Вологда, ул. Козленская, д. 63
Тел.: 8 (800) 250-66-01
Е-шаП: Ьоокт§@тГга-е.ги
11Ир8://тГга-е.ги

Издательство приглашает
к сотрудничеству авторов
научно-технической литературы