Mister 220V

Предположим, вы приобрели определенный прибор. Продавец вас предупредил, что он рассчитан на напругу в сети 220 В. А у вас в доме напряжение в сети 127 В. Безвыходное положение? Ничуть. Просто придется сделать дополнительную затрату и приобрести трансформатор.

Как видим, на практике часто возникает необходимость менять напряжение, которое дает некоторый генератор. В одних случаях бывают нужны напряжения в тысяче или даже в сотне тысяч вольт, в других необходимые напряжения в несколько вольт или несколько десятков вольт. Изменить таким образом постоянную напругу очень сложно, а между тем сменную напругу можно превращать – повышать и снижать – довольно просто и почти без потерь энергии. Это есть одной из основных причин того, что в технике преимущественно пользуются сменным, а не постоянным током. Приборы, с помощью которых осуществляют преобразование напряжения сменного тока, носят название трансформаторов.

Трансформатор – очень простое устройство, которое позволяет как повышать, так и снижать напряжение. Каждый трансформатор составляется с железного сердечника, на котором размещенные две обмотки ( катушки). Число витков в катушках разное. Обмотки имеют незначительное сопротивление и большую индуктивность.

Подключим до одной из катушек напряжение из сети. С помощью вольтметра мы убедимся в том, что на концах другой обмотки появится напряжение, которое отличается от сетевой. Обмотка, к которой подключенный источник энергии, называется первичной, а обмотка, к которой підмикається нагрузка, то есть другие приборы, – вторичной. Если первичная обмотка имеет витков, а вторичная , то отношение напряжений будет .

Таким образом, трансформатор будет повышать напряжение, если первичное напряжение подведено к катушки с меньшим числом витков, и снижать в обратном случае.

Почему так получается? Дело в том, что весь магнитный поток проходит практически через железный сердечник. Значит, обе катушки пронизаны одинаковым числом линий индукции. Трансформатор будет действовать лишь в случае, если первичное напряжение сменное. Синусоидальное изменение тока у первичной катушки будет вызвать синусоидальную е.р. с. индукции во вторичной катушке. Виток первичной и виток вторичной катушек находятся в одинаковых условиях. Е. г. с. одного витка первичной катушки равняется е.р. с. сети, разделенной на число витков первичной катушки, то есть на , а е.р. с. вторичной катушки равняется произведению значения на число витков . В принципе, каждый трансформатор может быть использован и как повышающий, и как знижуючий – в зависимости от того, к которой катушки подключенное первичное напряжение.

Итак, трансформатор представляет собой прибор, который передает энергию из электрического кола первичной обмотки в электрический круг вторичной. Эта передача обязательно связана с некоторыми потерями – энергия также идет на нагревание проводников, на тока Фуко и перемагничивание железа. Чтобы их уменьшить, сердечник изготовляют из тонких листков стали специальных сортов, изолированных друг от друга. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразовании напряжения. Надо сказать, трансформатор принадлежит к числу найдосконаліших преобразователей энергии. ККД современных трансформаторов достигает 98-99% для мощных и близко 95% для меньших "преобразователей".

Трансформаторы небольших мощностей (десятки ватт) используются главным образом в лабораториях и быту, они имеют также небольшие размеры. Например, многим приходилось иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина – это повышающий трансформатор. Для создания искры, которое производит поджог рабочую смесь, нужна высокое напряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительно превратив постоянный ток аккумулятора в сменный с помощью переривача. Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, которая идет на нагревание трансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот. Для сварочных аппаратов требуются знижуючі трансформаторы. Для сварки нужны очень сильные тока, и трансформатор сварочного аппарата имеет всего лишь единый исходный виток.

Мощные трансформаторы, которые превращают сотни и тысячи кіловатт – огромные сооружения. Обычно мощные трансформаторы вмещают в стальной бак, заполненный специальным маслом. Это улучшает условия охлаждения трансформатора, и, кроме того, масло играет важную роль как изолирующее вещество. Концы обмоток трансформатора выводятся через проходные изоляторы, которые закреплены на верхней крышке бака. Мощные трансформаторы также используют и при передачи электрической энергии на расстоянии (повышающие и знижуючі подстанции).

В линиях трехфазного тока используются или обычные, однофазные трансформаторы, которые вмикаються в каждую с трех фаз линии, или специальные трехфазные трансформаторы, которые имеют три пары обмоток.

Трансформатор был изобретен в 1876 году в России П.М. Яблочковим, который использовал его для питания своих "свечек", что нуждались в разном напряжении. А собственное разработал и сконструировал такой прибор ассистент Московского университета І.П. Усагін. Первый трансформатор он продемонстрировал в 1882 году на промышленной выставке в Москве.

На электрических станциях обычно устанавливают несколько синхронных генераторов, включаемых параллельно для совместной работы (рис. 21.1). Наличие нескольких генераторов вместо одного суммарной мощности дает преимущества, объясняемые теми же соображениями, которые были изложены применительно к параллельной работе трансформаторов (см. 2.2):

а) обеспечение бесперебойного электроснабжения в случае аварии на какой-либо энергетической установке или отключения ее для ремонта;
б) при работе электростанции с переменным графиком нагрузки появляется возможность отключить часть энергоустановок, с тем чтобы оставшиеся установки работали с нагрузкой, близкой к номинальной с более высоким КПД.

При включении синхронного генератора в сеть на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия: ЭДС генератора E_Q в момент подключения его к сети должна быть равна и противоположна по фазе напряжению сети (Е₀ = - U₁ ), частота ЭДС генератора f_г должна быть равна частоте переменного тока в сети f_с; порядок следования фаз на выводах генератора должен быть таким же, что и на зажимах сети.

Приведение генератора, включаемого на параллельную работу, в состояние, удовлетворяющее всем указанным условиям, называют синхронизацией. Несоблюдение любого из условий синхронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерная величина которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно работающими генераторами можно способом точной синхронизации или способом самосинхронизации.

Способ точной синхронизации. Сущность этого способа состоит в том, что прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовлетворяющее всем вышеперечисленным условиям, т. е. синхронизируют. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент синхронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. По конструкции синхроноскопы разделяют на стрелочные и ламповые. Рассмотрим процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа, который состоит из трех ламп 1, 2, 3, расположенных в вершинах равностороннего треугольника и включенных либо по схеме «на погасание», либо по схеме «на вращение света».

При включении ламп по схеме «на погасание» (рис. 21.2, а) момент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп. Предположим, что звезда ЭДС генератора Eа, Eв, Eс, вращается с угловой скоростью u_r, превышающей угловую скорость и_с вращения звезды напряжений сети U_A, U_в, U_c. В этом случае напряжение на лампах определяется геометрической суммой Е_А + U_A; Е_в + П_в, ес + U_c (рис. 21.2, в). В момент совпадения векторов звезды ЭДС с векторами звезды напряжений эта сумма достигает наибольшего значения (рис. 21.2, г), при этом лампы горят с наибольшим накалом (напряжение на лампах равно удвоенному напряжению сети). В последующие моменты времени звезда ЭДС обгоняет звезду напряжений и напряжение на лампах уменьшается. В момент синхронизации (рис. 21.2, д) векторы ЭДС и напряжений занимают положение, при котором их сумма равна нулю: E_А + U_A = 0; E_в+ U_в = 0; E_с+ U_с=0, т. е. U_Л = 0, и все три лампы одновременно гаснут. При большой разности угловых скоростей w₁ и w₂ лампы вспыхивают и гаснут часто, а по мере сближения угловых скоростей вращения w_r и w_с мигание ламп становится реже. Изменяя частоту вращения приводного двигателя, добиваются равенства w_r = w_с, о чем будет свидетельствовать погасание ламп на длительное время. В этот момент и следует замкнуть рубильник, после чего генератор окажется подключенным к сети.

При включении ламп синхроноскопа по схеме «на вращение света» (рис. 21.2, б) при неравенстве угловых скоростей вращения w_r и w_с лампы загораются и гаснут попеременно, создавая эффект вращения света. При этом если w_r < w_с , то вращение света происходит в одну сторону, а если w_r > w_с — то в другую сторону. Моменту синхронизации соответствует горение двух ламп (например, 1 и 2) с одинаковой яркостью и погасание третьей лампы (рис. 21.2, е). Если порядок следования фаз генератора и сети неодинаков, то лампы, включенные по схеме «на погасание», при синхронизации ведут себя как по схеме «на вращение света». В этом случае следует поменять местами два линейных провода, подключенных к генератору. Процесс точной синхронизации обычно автоматизируют.

Способ самосинхронизации. Ротор невозбужденного генератора приводят во вращение приводным двигателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2 — 5 %, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на резистор r, называемый гасящим (аналогичный резистору, показанному на рис. 22.3). Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора в цепи статора. Вслед за включением обмотки статора в сеть обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока. При этом на роторе генератора возникает электромагнитный момент, под действием которого генератор втягивается в синхронизм, т.е. частота вращения ротора генератора становится синхронной. Ток в обмотке статора быстро уменьшается.

При самосинхронизации в генераторе протекают сложные электромеханические переходные процессы, вызывающие значительные силовые воздействия на пазовые стороны обмотки статора, подшипники и муфту, соединяющую генератор с турбиной. Влияние этих воздействий на надежность генератора учитывается при проектировании синхронных генераторов. Способ самосинхронизации (грубой синхронизации), будучи простым, обычно применяют в генераторах при их частых включениях.