Назначение устройство и принцип действия трансформаторов

Мы привыкли к тому, что напряжение в розетке всегда 220 В. Возможно не все читатели подозревают, что прежде чем поступить к потребителю, выполнялись преобразования электрической энергии. Перед поступлением на провода ЛЭП, напряжение переменного тока увеличивали до десятков, а то и сотен киловольт, а на выходе – понижали, до привычных нам 220 В. Эти преобразования выполнили силовые трансформаторы. В данной статье я расскажу вам, что такое трансформатор простыми словами.

Потребность в преобразования переменного напряжения возникает практически на каждом шагу. Чаще всего мы испытываем необходимость в понижении напряжения, так как большинство узлов современных электронных устройств работает при низких напряжениях. Однако для некоторых цепей высоковольтных узлов требуются значительные напряжения, порядка нескольких тысяч вольт.

Рис. 1. Промышленный трансформатор

Что такое трансформатор?

Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических
фактов

В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.

Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.

Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.

По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.

С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Рисунок 2. Устройство трансформатора

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь  первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

• сталь;
• пермаллой;
• феррит.

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Рисунок 3. Внешний вид трансформатора

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1  и W2 обозначено количество витков в катушках.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

• в состоянии холостого хода;
• в режиме нагрузки;
• в короткозамкнутом режиме.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки отсутствует ток, то в таком состоянии по первичной обмотке циркулирует ток холостого хода. Параметры этого тока используют при расчетах КПД, определяют коэффициент трансформации, находят потери в сердечнике.

Основным рабочим режимом трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующую тока холостого хода и расчетного тока сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки, вся мощность концентрируется в цепях обмоток. В таком состоянии можно определить потери, расходуемые на нагревание проводов в обмотках.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является базовым параметром при расчете.

Другая важная характеристика трансформатора – его КПД. В некоторых аппаратах этот показатель составляет 0,9 – 0,98, что характеризует незначительные потери магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади S сечения магнитопровода. По значению S, при расчетах параметров трансформатора, определяют количество витков в катушках: W = 50 / S.

На практике мощность выбирают исходя из предполагаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Uн× Iн, а мощность первичной катушки Pс= Uс× Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = Uс / Uн = Iс / Iн , то есть, токи в каждой из обмоток имеют обратно пропорциональную зависимость от их напряжений, следовательно, и от количества витков.

Виды трансформаторов

С
целью решения вопросов трансформации напряжения в различных цепях изобретены
трансформаторы самых разных конструкций. Производители выбирают свои концепции магнитопроводов
(см. рис. 4), которые не влияют на работу и параметры приборов:

• стержневой тип (применяется в основном для трехфазных конструкций);
• броневой тип (трехфазные аппараты);
• тороидальный тип сердечника часто используется в трансформаторах, применяемых в различных электротехнических устройствах.

Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.

Силовые

Назначения силового трансформатора понятно из названия. Термин силовые применяется к семейству моделей, как правило, большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в сетях ЛЭП и в различных обслуживающих установках.

При трансформации сохраняются частоты переменного тока, поэтому возможно подключение силовых трансформаторов в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.

Силовые аппараты могут соединяться в группы с различными схемами подключения обмоток: по принципу звездочки, треугольником или зигзагом. Схема звездочка оправдана, если в трехфазных сетях нагрузка симметрическая. В противном случае предпочтения отдают треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки подмагничивают по отдельности каждый стержневой магнитопровод.

Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжений будет устранен.

Автотрансформаторы

Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки за счет их прямого соединения между собой образуют электрическую связь, называется автотрансформаторами. Характерным признаком этой группы является несколько пар выводов, к которым можно подключить нагрузку.

Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение в соединениях заземленных сетей, работающих под напряжением, превышающим 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации – не более 3 – 4.

Тока

Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.

Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.

Напряжения

Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.

Импульсные

В работе современной электронике применяются высокочастотные сигналы, которые часто необходимо отделить от других сигналов. Задача импульсных трансформаторов – преобразования импульсных сигналов с сохранением формы импульса.

Для высокочастотных импульсных аппаратов выдвигаются требования о максимальном сохранении формы импульса на выходе. Имеет значение именно форма, а не амплитуда и даже не знак.

Сварочные

В работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом, сетевое напряжение понижают до безопасного уровня. Благодаря мощному электрическому току дуговой разряд сварочного аппарата плавит металл.

В сварочном трансформаторе имеется возможность ступенчатого регулирования величины тока во вторичных цепях способом изменения индуктивного сопротивления, либо путем секционирования одной из обмоток.

Фото устройства представлено на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего переключателя.

Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе

В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например, нержавейки, сварочный ток выпрямляют.

Разделительные

Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называют резделительными трансформаторами. Силовые разделительные аппараты применяются для повышения безопасности электросетей. Другая область применения разделительных трансформаторов – обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.

Согласующие

Данные типы аппаратов применяют для согласования сопротивления каскадов электронных схем. Они обеспечивают минимальное искажение формы сигналов, создают гальванические развязки между узлами электронных устройств.

Пик-трансформаторы

Аппараты, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется через каждых полпериода.

Воздушные и масляные

Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).

Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используют для преобразований сетевых напряжений, в том числе и в схемах трехфазных сетей.

Рисунок 7. Сухой трехфазный трансформатор

При подключении нагрузки происходит нагревание обмоток, что грозит разрушением электрической изоляции.  Поэтому в сетях с напряжениями свыше 6 кВ работают приборы с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.

Рис. 8. Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением

Сдвоенный
дроссель

Конструктивно такой аппарат является трансформатором с одинаковыми катушками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. Эффективность аппарата выше, чем у дросселя (при одинаковых размерах).

Вращающиеся

Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).

На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

Области применения

Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.

Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.

Список использованной литературы

Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжения электрического тока с помощью силовых трансформаторов повышают до сотен тысяч вольт. Поскольку высокие напряжения очень опасны, то для работы электроприборов используют ток после силового понижающего трансформатора. Однако на всей протяженности ЛЭП установлено множество защитных устройств. Для отделения напряжений цепей этих приборов от потенциалов линий электропередач применяют трансформатор напряжения (ТН).

Приборы этого типа часто используются для безопасного способа подключения измерительных приборов. Задача ТН состоит в преобразовании высоковольтных токов линий (свыше 6 кВ) до безопасного уровня. Применение таких трансформаторов удешевляет эксплуатацию энергосистем за счет снижения затрат на изоляцию оборудования, работающего в низковольтных сетях.

Устройство и принцип действия

Конструктивно ТН особо не отличается от других типов преобразующих устройств. Его устройство:

• магнитный сердечник, шихтованный из пластин электротехнической стали;
• первичная катушка;
• одна или две вторичные обмотки;
• защитный кожух (для конструкций уличного типа).

Внешний вид и схематическое изображение изделия смотрите на рис.1. На картинке изображено устройство с одной (основной) вторичной обмоткой. На некоторых моделях есть дополнительная вторичная обмотка, которая может использоваться, например, для подключения приборов измерения.

Рис. 1. Трансформатор напряжения. Строение

Обратите внимание на то, что между выводами первичных обмоток и вторичными катушками отсутствует гальваническая связь. Это главное отличие измерительных трансформаторов от конструкции обычного понижающего трансформатора.

Защитные кожухи изготовляются из разных материалов. В моделях, используемых для обслуживания высоковольтных ЛЭП, применяют диэлектрики, изготовленные из фарфора (рис. 2),

Рис. 2. ТН на 110 кВ

Для охлаждения обмоток таких высоковольтных агрегатов применяют специальные трансформаторные масла.

В сетях средней мощности применяют модели с корпусами на основе эпоксидных смол (рис. 3).

Рис. 3. ТН наружного типа

Трехфазные ТН с нулевыми выводами выполняются на магнитопроводе с пятью стержнями. Такая конструкция защищает обмотки от перегрева, так как при однофазных замыканиях в цепях высоковольтных проводов цепь линий суммарного магнитного потока в самом трансформаторе замыкается по стали сердечника.

Принцип действия также мало отличается от работы силового понижающего трансформатора. Магнитный поток, возникающий в первичной катушке, распространяется по магнитопроводу, вызывая напряжение ЭДС во вторичной обмотке. Величина напряжения зависит от соотношения числа витков в катушках. Поскольку вторичные обмотки состоят из малого количества витков, то и выходное напряжение небольшое (обычно оно не превышает 100 В).

Рис. 4. Принцип работы трансформатора напряжения

Важной задачей при изготовлении трансформаторов данного типа является выполнение требований по достижению необходимых амплитудных и угловых параметров синусоиды, определяющих соответствующий класс точности: 0,5; 1; 3. В эталонных образцах применяется класс точности 0,2. Для измерительных приборов важно чтобы класс точности был максимально высоким. Чем он выше, тем меньшая погрешность измерения прибора.

Точность параметров преобразованных переменных токов зависит от нагрузки. Чем выше нагрузка вторичной цепи, тем больше погрешность трансформатора напряжения (снижается класс точности). Оптимальные параметры напряжения на выходе трансформатора достигаются при номинальных нагрузках. В этом режиме эффективность преобразования тока возрастает по мере приближения к номинальному коэффициенту трансформации.

Работа ТН эффективна при малых номинальных мощностях во вторичных цепях. Для этих устройств длительное состояние в режиме холостого хода является нормой. Поэтому они эффективно используются в системах защиты линий, которые большую часть времени находятся в режиме ожидания и потребляют мало тока.

Разновидности

По конструкции и способам подключения трансформаторы напряжения классифицируются следующим образом:

• двухобмоточный ТН (состоит из первичной катушки и основной вторичной обмотки);
• трехобмоточный (имеет две вторичные обмотки. Одна из них является основной, а другая – дополнительной);
• заземляемый (конструкция однофазных ТН у которых один вывод первичной обмотки уходит на землю.В моделях трехфазных ТН наглухо заземлены все нейтрали);
• незаземляемый;
• тип каскадных трансформаторов (первичную обмотку образуют каскады из секций);
• семейство емкостных трансформаторов, конструкция которых содержит элементы емкостных делителей;
• модели антирезонансных трансформаторов (см. рис. 5).

Рис. 5. Модель антирезонансного ТН

Можно отдельно выделить низковольтные конструкции, которые используются в некоторых электронных устройствах. Данный класс электронных трансформаторов применяют в тех случаях, когда в электронных схемах необходима развязка, отделяющая цепи высоких напряжений от низких.

Расшифровка маркировки

Для различения разновидностей моделей к ним применяют буквенную маркировку:

• Н – трансформатор напряжения;
• Т – трехфазная модель;
• О – однофазный ТН;
• С – сухой (воздушное охлаждение);
• М – масляный;
• А – антирезонансные модели;
• К – каскадные устройства;
• Ф – фарфоровый тип корпуса;
• И – пятистержневой трансформатор, содержащий обмотку для контроля изоляции;
• Л – конструкции в литом корпусе;
• ДЕ – емкостные;
• З – заземляемые (первичную катушку необходимо заземлять).

Технические параметры

Основные сведения указываются на шильдике трансформатора напряжения.

Рис. 6. Шильдик трансформатора

Технические параметры трансформаторов:

• величина напряжения на первичном фазном входе;
• напряжение на выводах вторичных фазных обмоток;
• коэффициенты мощности;
• максимальные напряжения короткого замыкания.

К важным сведениям относится параметры номинальной частоты и класс точности для номинального коэффициента трансформации. На некоторых моделях изготовители указывают угловые погрешности и допустимые погрешности напряжений.

Схемы подключения

Простейшая схема подключения применяется в пунктах обслуживания линий под напряжением 6 – 10 кВ. Подключенные по такой схеме трансформаторы используются для включения вольтметра и подачи напряжений на реле устройства АВР. Пример такой схемы показан на рис. 7.

Рис. 7. Простая схема подключения трансформатора напряжения

На рисунке 8 приведена схема, применяемая для включения однофазных трансформаторов с целью подачи безопасного напряжения на нагрузки, запитанные от вторичных обмоток. В данной схеме использовано группу однофазных трансформаторов, катушки которых соединены по принципу звезды. Обратите внимание, что первичные обмотки соединены с глухозаземленной нейтралью.

Рис. 8. Еще пример схемы подключения

Данная схема применяется в сетях 0,5 – 10 кВ для подключения измерительных приборов, счетчиков. По аналогичной схеме подключаются вольтметры, используемые для контроля изоляции.

Схема эффективна для приема сигналов, свидетельствующих об однофазных замыканиях на землю. Существуют и другие схемы подключений, в частности по типу соединения открытого треугольника. Особенность таких схем в том, что мощность группы из двух ТН меньше мощности трех устройств соединенных по схеме полного треугольника не в 1,5 раза, а в √3 раз.

В некоторых схемах применяется комбинированное соединение обмоток. Для этого подходит соединение «треугольник – звезда». В работе таких схем номинальное напряжение составляет 173 В. Указанный способ подключения применяется в системах регулирования возбуждения обмоток генераторов и компенсаторов.

Применение

Основное применение первичных преобразователей напряжений – подача питания на обмотки измерительных приборов и подключение реле защиты в сетях 380 В и выше. Трансформаторы позволяют расширить диапазоны измерений и изоляцию реле от высоких межфазных потенциалов. Включение выводов первичных обмоток между фазой и землей дает возможность градуировать шкалы приборов с учетом коэффициента трансформации, что позволяет контролировать первичные параметры линий ЛЭП.

Изменение параметров напряжений в первичных цепях влияет на поведение переменных магнитных потоков. Эти возмущения фиксируются вторичными обмотками, которые реагируют изменением амплитуды тока и частоты колебаний. Сигналы поступают на различные защитные устройства, которые автоматически отключают участки линий с КЗ и с другими критичными отклонениями.

Видео по теме

С целью экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и распределения ее между разнообразными потребителями появляется необходимость в ее трансформации. Последнее осуществляется с помощью повышающих и понижающих трансформаторов.

Трансформатор — статический электромагнитный аппарат, его действие основано на явлении взаимной индукции, он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U 1, I 1 в энергию переменного тока с параметрами U 2, I 2 той же частоты.

Принцип индуктивной связи двух обмоток впервые открыт Фарадеем в 1831 г. В период 1870—1880 гг. был создан однофазный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, а в 1880—1890 г. была осуществлена разработка трансформатора с замкнутым магнитопроводом, который усиливал магнитную связь между обмотками и обеспечивал повышенные технико-экономические показатели трансформатора.

Трансформатор (рис. 8.1) состоит из ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две (w 1, w 2) обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключаются приемники, – вторичной. Все величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, принято соответственно обозначать индексами 1 и 2.

Рис. 8.1. К пояснению устройства и принципа действия трансформатора

Если первичную обмотку трансформатора с числом витков w 1 включить в сеть переменного тока, то напряжение сети U 1 вызовет в ней ток I 1 и МДС I 1 w 1 создаст переменный магнитный поток Ф. Переменный магнитный поток Ф создаст в обмотке w 1 ЭДС Е 1, а в обмотке w 2 ЭДС Е 2. Когда есть нагрузка, электрическая цепь вторичной обмотки оказывается замкнутой и ЭДС Е 2вызовет в ней ток I 2. Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами U 1, I 1и частотой f будет преобразована в энергию переменного тока вторичной цепи с параметрами U 2, I 2 и f.

Мгновенные значения ЭДС первичной и вторичной обмоток, как следует из явления электромагнитной индукции, имеют выражения

e 1 = – w 1 d Ф/ dt, e 2 = – w 2 d Ф/ dt,

их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны

E 1 = 4,44 w 1 f Ф m; (8.1)

Е 2 = 4,44 w 2 f Ф m. (8.2)

Разделив значения ЭДС первичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

Величина n называется коэффициентом трансформации трансформатора. Электрическая энергия из первичной цепи во вторичную в трансформаторе передается посредством переменного магнитного потока, поскольку гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует. Отношение значений ЭДС Е 1 и Е 2 равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Для выяснения соотношения между первичным и вто­ричным напряжениями необходимо высказать следующие со­ображения.

Вопервых, кроме основного магнитного потока Ф или просто магнитного потока трансформатора, как далее мы его будем называть, который полностью располагается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток, ток первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Фр1. Поток рассеяния Фр1 в отличие от основного охватывает витки только первичной обмотки и, как это видно на рис. 8.1, располагается главным образом в немагнитной среде (воздушном пространстве или трансформаторном масле, окружающем обмотку). Этот поток создает в первичной обмотке ЭДС Е р1. Во-вторых, первичная обмотка обладает определенным активным сопротивлением. Поэтому, как вытекает из уравнения электрического состояния первичной цепи

U 1 = – E 1 – E p1 + I 1 r 1, (8.4)

значения напряжения U 1 и ЭДС Е 1 не равны. ЭДС Е 1 меньше напряжения U 1 на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Е р1 и активным сопротивлением обмотки.

Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно допустить, что

При работе трансформатора с нагрузкой в его вторичной обмотке действует ток I 2. Ток вторичной обмотки участвует в создании основного магнитного потока Ф, а также создает поток рассеяния Фр2, расположенный в немагнитной среде, как Фр1, и наводящий в этой обмотке ЭДС Е р2.

Напряжение U 2, как вытекает из уравнения электрического состояния вторичной цепи

U 2 = Е 2 + Е р2 – I 2 r 2, (8.5)

меньше ЭДС Е 2 на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Е р2 и активным сопротивлением обмотки. Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно считать, что

U 2 ≈ Е 2.

Рис 8.2 Условные обозначения однофазного трансформатора

Подставив в уравнение (8.3) вместо Е 1 и Е 2соответственно напряжения U 1 и U 2, получим

откуда следует, что U 2 = U 1 w 2/ w 1 = U 1/ n

Поэтому можно считать, что коэффициент трансформации трансформатора представляет собой отношение значений первичного напряжения к вторичному. Соотношение между первичным и вторичным токами можно определить из равенства первичной и вторичной мощностей. Действительно, если пренебречь потерями активной мощности в обмотках и реактивной мощностью, обусловленной главным магнитным потоком и потоками рассеяния трансформатора, то

U 1 I 1 = U 2 I 2,

U 1/ U 2 = I 2/ I 1 = n

I 2 = I 1 n.

Однофазные трансформаторы на схемах электрических цепей изображаются так, как это указано на рис 8.2, а — в. Начало и конец первичной обмотки обозначаются большими буквами: начало А, конец X, вторичной обмотки — малыми буквами: начало а, конец х. Предполагается, что направление намотки от начала к концу относительно магнитопровода обеих обмоток одинаковое или по часовой, или против часовой стрелки.

Тема 6.1. Устройство и принцип действия трансформатора.

1. Устройство трансформатора.

2. Принцип действия трансформатора.

3. Коэффициент трансформации.

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для трансформации (изменения) напряжения.

1 – ярмо; 2 и 5 – стержни; 3 и 4 – обмотки.

Ярмо и стержни образуют магнитопровод.

Первичная обмотка – обмотка, которая присоединена к источнику.

Вторичная обмотка – обмотка, к которой присоединяют потребители.

1. По характеру трансформации: понижающие и повышающие.

2. По назначению: силовые и специальные.

3. По числу обмоток: двух- и многообмоточные (у двухобмоточных имеются первичная и вторичная обмотки; у многообмоточных – первичная и несколько вторичных).

4. По числу фаз: одно- и трёхфазные.

w1 – первичная обмотка; w2 – вторичная обмотка; I1, I2 – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток; U1, U2 – действующие значения напряжений на первичной и вторичной обмотках; Ф – основной магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции: переменный ток первичной обмотки возбуждает переменный магнитны поток, большая часть которого Ф замыкается по магнитопроводу (основной поток). Небольшая часть потока, возбуждённого током первичной обмотки, замыкается по воздуху и называется потоком рассеяния. Поток Ф наводит в обмотка трансформатора ЭДС: в первичной обмотке ЭДС самоиндукции е1 и во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции е2. Если ко вторичной обмотке присоединить потребитель, то под действием ЭДС е2 потечёт ток I2.

В трансформаторе передача энергии от источника к потребителю происходит через магнитное поле, связывающее между собой первичную и вторичную обмотки. Таким образом, источник энергии и потребитель не имеют между собой гальванической связи, т.е. напряжение источника не приложено к потребителю.

В соответствие с законом электромагнитной индукции (формула 2.4):

е1 = -w1;.

При синусоидальном напряжении на первичной обмотке основной магнитный поток то же будет синусоидальным, т.е. Ф = Фmsin ωt.

Тогда: = Е1m, где Е1m= w1ωФm, отсюда действующее значение. Аналогично: = 4,44 w2 f Фm.

Коэффициент трансформации (k) – отношение числа витков обмотки высшего напряжения к числу витков обмотки низшего напряжения.

1. Режим холостого хода.

2. Режим работы под нагрузкой.

3. Режим короткого замыкания.

4. Коэффициент полезного действия.

Трансформаторы могут работать в режимах холостого хода, рабочем и короткого замыкания.

В режиме холостого хода трансформатора (рис. 6.3) первичная обмотка включена в сеть под номинальное напряжение (выключатель В1 замкнут), а вторичная обмотка разомкнута выключателем В2 (I2=0).

Уравнение равновесия ЭДС и напряжений в цепи первичной обмотки трансформатора при холостом ходе записывается в соответствии со вторым законом Кирхгофа и имеет следующий вид:

где I01 – ток первичной обмотки при холостом ходе; z1 – полное сопротивление первичной обмотки; I01z1 – падение напряжения на первичной обмотке.

Падение напряжения на первичной обмотке при холостом ходе не превышает 0,5% напряжения U1, поэтому можно считать, что Е1≈ U1. Во вторичной обмотке ток не протекает, поэтому Е2=U2.

Измерив напряжения на обмотках можно определить коэффициент трансформации

При холостом ходе трансформатора полезная мощность (мощность, отдаваемая нагрузке), равна нулю. Вся потребляемая из сети мощность расходуется на потери в самом трансформаторе. Эти потери складываются из потерь на нагревание первичной обмотки и потерь в стали. Расчёты показывают, что потери на нагревание обмотки составляют не более 2% от мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе. Тогда не будет большой ошибкой считать, что мощность Р1, измеренная ваттметром, тратится в основном на потери в стали. Потери в магнитопроводе (в стали) возникают от его перемагничивания и от вихревых токов. Но и те и другие зависят от основного магнитного потока.

Режим холостого хода используется для определения опытным путём потерь в стали трансформатора.

В этом режиме первичная обмотка подключена к источнику, а ко вторичной обмотке подключена нагрузка Zн.

Под действием индуктированной во вторичной обмотке ЭДС Е2 потечёт ток I2, который возбудит магнитный поток. В соответствии с правилом Ленца этот поток будет препятствовать изменению магнитного потока, возбуждённого током первичной обмотки. Таким образом, магнитный поток, возбуждённый током первичной обмотки при холостом ходе, практически не изменится.

Уравнение равновесия ЭДС и напряжений трансформатора при работе под нагрузкой записываются в соответствии со вторым законом Кирхгофа и имеют следующий вид:

где I1zI – падение напряжения в первичной обмотке; I2z2 – падение напряжения во вторичной обмотке.

Падение напряжения в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке составляет 5-10% от номинального напряжения, поэтому можно считать, что

Так же как и при холостом ходе

В этом режиме первичная обмотка подключена к сети, а вторичная обмотка замкнута накоротко. Причинами возникновения короткого замыкания могут быть неисправности у потребителя подключённого ко вторичной обмотке или повреждение изоляции этой обмотки. При коротком замыкании токи в первичной и вторичной обмотках достигают величин, превышающих номинальные токи в 10 – 20 и более раз. Такое чрезмерное увеличение тока представляет опасность для трансформатора. Вследствие этого всегда предусматривается защита, предназначенная отключать от сети его первичную обмотку по прошествии некоторого небольшого промежутка времени после возникновения короткого замыкания.

Для определения потерь в меди обмоток используют опыт короткого замыкания, при котором зажимы вторичной обмотки замыкают накоротко (обычно через амперметр), а к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, чтобы токи в обмотках трансформатора были равны номинальным. Потери в стали при опыте короткого замыкания будут меньше, чем при холостом ходе в 400÷900 раз, поэтому ими можно пренебречь и считать, что мощность, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания, тратится только на нагревание первичной и вторичной обмоток, т.е. является потерями в меди.

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется как отношение полезной мощности P2 к потребляемой P1, т.е.

Наибольшего значения КПД достигает при токе нагрузки I2 = (0,75÷о,8) I2н

Т р а н с ф о р м а т о р о мназывается электромагнитное статическое устройство (аппарат), предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции электрической энергии переменного тока одного напряжения (частоты) в электрическую энергию другого напряжения (частоты).

Рис. 1. Принцип действия однофазного трансформатора

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, т.к. в этом случае магнитный поток будет неизменным во времени и не будет индуцировать ЭДС в обмотках. Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, т.к. при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки, что недопустимо во избежание перегорания обмотки.

Данное устройство чаще всего состоит из двух (а иногда и большего числа) взаимно неподвижных электрически не связанных между собой обмоток, расположенных на ферромагнитном магнитопроводе. Обмотки имеют между собой магнитную связь, осуществляемую переменным магнитным полем. Магнитопровод всегда выполняют ферромагнитным для усиления магнитной связи между обмотками.

Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется п е р в и ч н о й обмоткой (обмотка 1 на рис. 1), а обмотка, отдающая энергию в сеть, – в т о р и ч н о й (обмотка 2 на рис. 1). Обмотки трансформатора подключаются к сетям с различными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более высоким напряжением, называется о б м о т к о й в ы с ш е г о н а п р я ж е н и я(ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением – о б м о т к о й н и з ш е г о н а п р я ж е н и я(НН). Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется п о н и ж а ю щ и м, а если больше – п о в ы ш а ю щ и м. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим.

Трансформаторы с двумя обмотками называются д в у х о б м о т о ч н ы- м и, с тремя – т р е х о б м о т о ч н ы м и. Изготавливаются и многообмоточные трансформаторы, которые имеют несколько первичных или вторичных обмоток. В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделяются на о д н о ф а з н ы е, т р е х ф а з н ы е и м н о г о ф а з н ы е.

Наиболее широкое распространение получили трехфазные силовые трансформаторы, предназначенные для передачи и распределения электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях. Силовые трансформаторы бывают м а с л я н ы е и с у х и е. В масляных трансформаторах сердечник с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое выполняет одновременно роль электрической изоляции и охлаждающего агента. Однако трансформаторное масло является горючим, в связи с чем при аварии таких трансформаторов существует определенная опасность возникновения пожара. Поэтому в общественных и жилых зданиях, а также в ряде других случаев применяются сухие трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом.

М а г н и т о п р о в о д является конструктивной основой трансформатора и служит для проведения основного магнитного потока. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути потока, а следовательно, и МДС и тока, необходимых для создания потока, магнитопровод выполняют из специальной электротехнической стали. Так как магнитный поток в трансформаторе изменяется во времени, то для уменьшения потерь от вихревых токов в магнитопроводе он собирается из отдельных электрически изолированных друг от друга листов толщиной 0,35 – 0,5 мм (в зависимости от частоты питающего напряжения). Обычно при частоте питающей сети

толщина листов составляет 0,35 мм. Изоляция листов осуществляется чаще всего с помощью лаковой пленки, которая наносится с двух сторон листа.

В магнитопроводе различают стержни и ярма.

С т е р ж е н ь – это та часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки.

Я р м о – часть, не несущая обмоток и служащая для замыкания цепи.

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы разделяют на с т е р ж н е в ы е и б р о н е в ы е (рис. 2).

В стержневых магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей (рис. 2(а)). В броневых магнитопроводах ярма охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток, как бы закрывая их «броней» (рис. 2(б)).

Рис. 2. Однофазный стержневой (а) и броневой (б) трансформатор

В броневом магнитопроводе (рис. 2(б)) имеется один стержень и два ярма, охватывающих обмотки. По каждому ярму замыкается половина магнитного потока стержня, поэтому площадь поперечного сечения каждого ярма будет в 2 раза меньше площади стержня.

Магнитопровод стержневого трансформатора (рис. 2(а)) имеет два стержня, на которых располагаются по половине обмоток 1 и 2. Половины каждой из обмоток соединяются между собой последовательно или параллельно. При таком расположении обмоток уменьшаются потоки рассеяния и улучшаются характеристики трансформатора.

По способу сочленения стержней с ярмами различают трансформаторы сос т ы к о в ы м и (рис. 3)и ш и х т о в а н н ы м и в п е р е п л е т(рис. 4) магнитопроводами.

Рис. 3. Стыковая конструкция магнитопровода однофазного (а)

и трехфазного (б) трансформатора

В первом случае стержни и ярма выполняются и скрепляются раздельно, и при сборке магнитопровода стержни с размещенными на них обмотками устанавливаются встык с ярмами и стягиваются специальными стяжными шпильками. В местах стыка во избежание замыкания листов и возникновения больших вихревых токов, вызывающих увеличение потерь и чрезмерное повышение температуры стали, устанавливаются изоляционные прокладки.

При стыковой конструкции наличие немагнитных зазоров в местах стыков вызывает заметное увеличение магнитного сопротивления сердечника и вследствие этого – увеличение намагничивающего тока. Кроме того, наличие изоляционных прокладок не дает полной гарантии от возможности замыкания листов стали. Поэтому стыковые сердечники применяются редко.

Во втором случае сборка магнитопровода ведется путем чередования листов, т.е. стержни и ярма собираются вместе как цельная конструкция. В результате такой сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами из стеклоленты получается остов трансформатора, не требующий каких-либо добавочных креплений.

Рис. 4. Укладка листов стали шихтованных магнитопроводов

однофазных (а) и трехфазных (б) трансформаторов

О с т о в о м трансформатора называется магнитопровод вместе со всемиконструкциями и деталями, служащими для скрепления его отдельных частей.

Вследствие резко выраженной анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали улучшение ее характеристик наблюдается только при совпадении линий индукции с направлением проката. При их несовпадении происходит резкое ухудшение характеристик. Поэтому при сборке магнитопровода из этой стали листы штампуются и укладываются так, чтобы поток проходил в них по направлению проката. Если взять листы прямоугольной формы, то в местах, где линии магнитного поля поворачиваются на 90º, будет наблюдаться увеличение потерь и падения магнитного напряжения, что приведет к ухудшению характеристик трансформатора. Во избежание этого при сборке магнитопровода из холоднокатаной стали применяют косые стыки (рис. 5).

После сборки шихтованного в переплет магнитопровода листы верхнего ярма вынимаются (расшихтовываются), на стержнях размещаются обмотки, после чего ярмо снова зашихтовывается.

Рис. 5. Косые стыки при сборке магнитопровода

Стержни магнитопровода трансформатора в поперечном сечении имеют форму с т у п е н ч а т о й ф и г у р ы или прямоугольника, вписанной в окружность с определенным диаметром (рис. 6(б)). Число ступеней фигуры увеличивается с возрастанием мощности трансформатора. Увеличение числа ступеней увеличивает заполнение площади круга площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число пластин, необходимых для сборки стержня. В мощных трансформаторах в сечении магнитопровода предусматриваются каналы для его охлаждения.

Рис. 6. Поперечные сечения ярем (а) и стержней (б) трансформаторов

При стержнях, имеющих поперечное сечение, приближающееся к кругу, обмотки будут иметь вид полых цилиндров. При такой конструктивной форме обмотки (по сравнению с прямоугольной) сокращается расход материалов на ее изготовление, увеличивается электрическая и механическая прочность, но усложняется технологический процесс ее изготовления. Прямоугольное сечение стержней применяется иногда в трансформаторах броневого типа и трансформаторах небольшой мощности.

Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении сердечника. Равномерность распределения магнитного потока между пакетами можно получить, если ярмо будет иметь число ступеней, равное числу ступеней стержня. Для упрощения технологии изготовления ярм иногда число ступеней у них берут меньше, чем у стержней (рис. 6(а)).

По способу расположения на стержне обмотки трансформаторов подразделяются на к о н ц е н т р и ч е с к и е и ч е р е д у ю щ и е с я (рис. 7).

Концентрические обмотки (рис. 7(а)) выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга. Высота обмоток, как правило, делается равной. В высоковольтных трансформаторах ближе к стержню располагается обмотка НН, так как при этом уменьшается изоляционное расстояние между стержнем и этой обмоткой.

В чередующихся обмотках (рис. 7(б)) катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Эти обмотки имеют меньшее магнитное рассеяние. Однако, при высоких напряжениях изоляция таких обмоток сложнее из-за большого количества промежутков между катушками ВН и НН.

Рис. 7. Стержень трансформатора с концентрическими (а)

и чередующимися (б) обмотками

Принцип действия и конструкция машин постоянного тока

На рис. 8 представлена простейшая машина постоянного тока (МПТ).

Рис. 8. Простейшая машина постоянного тока

Неподвижная часть машины, называемая и н д у к т о р о м, состоит из п о л ю с о в и круглого стального я р м а, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор, изображенный на рис. 1 простейшей машины, имеет два полюса 1.

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического я к о р я 2 и к о л л е к т о р а 3. Якорь состоит из с е р д е ч н и к а, набранного из листов электротехнической стали, и о б м о т к и, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис. 8 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в МПТ создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготавливаются из ферромагнитных материалов.

На рис. 9 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической стали толщиной 0,5-1 мм, а иногда также из листов конструкционной стали толщиной до 2 мм. Так как магнитный поток полюсов в стационарных режимах не изменяется, то листы друг от друга обычно не изолируются.

Сердечник полюса стягивается шпильками, концы которых расклепываются. Нижняя, уширенная часть сердечника называется п о л ю с н ы м н а к о н е ч н и к о м или б а ш м а к о м. Расположенная на полюсе обмотка часто разбивается на 2-4 катушки для лучшего ее охлаждения.

Число главных полюсов всегда четное, причем северные и южные полюсы чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек возбуждения отдельных полюсов (последовательное соединение). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет около 0,5-3 % от номинальной мощности машины.

Рис. 9. Главный полюс МПТ

Для улучшения условий токосъема с коллектора в машинах мощностью более 0,5 кВт между главными полюсами устанавливаются также дополнительные полюсы, которые меньше главных по своим размерам. Сердечники дополнительных полюсов обычно изготавливаются из конструкционной стали.

Как главные, так и дополнительные полюсы крепятся к ярму с помощью болтов. Ярмо в современных машинах обычно выполняется из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из стального листового проката, а также из стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяется.

В МПТ массивное ярмо является одновременно также станиной, т.е. той частью, к которой крепятся другие неподвижные части машины и с помощью которой машина обычно крепится к фундаменту или другому основанию.

Сердечник якоря набирается из выштампованных дисков (рис. 10) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски насаживаются либо непосредственно на вал (при

см), либо набираются на якорную втулку (

см), которая надевается на вал. Сердечники якоря диаметром 100 см и выше составляются из штампованных сегментов электротехнической стали. Сегменты набираются на корпус якоря, который изготавливается обычно из листового стального проката и с помощью втулки соединяется с валом.

Рис. 10. Диск (а) и сегмент (б) стали якоря МПТ

В сердечнике якоря в зависимости от выбранной системы венти­ляции могут быть а к с и а л ь н ы е или р а д и а л ь н ы е к а н а л ы. Аксиаль­ные каналы образуются выштампованными в дисках сердечника отверстиями. Радиальные каналы создаются с помощью дистан­ционных распорок или ветрениц, посредством которых сердечник якоря подразделяется на отдельные пакеты 1 шириной 40-70 мм и каналы 2 между ними шириной около 5-10 мм (рис. 11).

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки якоря. Выступающие с каждой стороны из сер­дечника якоря (рис. 11) лобовые части обмотки 3 имеют вид ци­линдрического кольца и своими внутренними поверхностями опи­раются на обмоткодержатели 5, а по внешней поверхности крепятся проволочными бандажами 7. Обмотка соединяется с коллектором 4.

Рис. 11. Сердечник якоря с обмоткой МПТ

Величина воздушного зазора между полюсами и якорем в малых машинах менее 1 мм, а в крупных – до 1 см.

Устройство коллектора машины небольшой мощности показано на рис. 12. Он состоит из медных пластин 1 толщиной 3-15 мм, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками толщиной около 1 мм. Пластины имеют трапецеидальное сечение и вместе с прокладками составляют кольцо, которое скрепляется с помощью нажимных фланцев 4, стянутых стяжными болтами 7. От нажимных фланцев пластины коллектора изолируются миканитовыми коллекторными манжетами 2. Собранный коллектор крепится на валу 6 с помощью шпонки 5. К каждой пластине коллектора присоединяются соединительные проводники – «петушки» 3 – от обмотки якоря.

Рис. 12. Устройство коллектора МПТ

Для отвода тока от вращающегося коллектора и подвода к нему тока применяется щ е т о ч н ы й а п п а р а т, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособирающих шин.

Щеткодержатели укрепляются на щеточных пальцах. На каждом щеточном пальце обычно помещают несколько или целый ряд щеткодержателей со щетками, которые работают параллельно. Щеточные пальцы, число которых обычно равно числу главных полюсов, крепятся в щеточной траверсе и электрически изолируются от нее. Траверса крепится к неподвижной части машины: в машинах малой и средней мощности – к втулке подшипникового щита, а в крупных машинах – к станине. Обычно предусматривается возможность поворота траверсы для установки щеток в правильное положение. Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы одной полярности соединяются между собой сборными шинами. Шины с помощью отводов соединяются с выводными зажимами или с другими обмотками машины.

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

– линейная скорость движения проводника, м/с.

Рис. 13. Работа простейшей МПТ в режиме генератора (а) и двигателя (б)

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины равна:

, В. (2)

Эта ЭДС является переменной, т.к. проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направления ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от времени повторяет кривую распределения индукции вдоль воздушного зазора.

Частота ЭДС в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря:

В общем случае, когда машина имеет

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток

. В обмотке якоря этот ток будет переменным. Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора на 90º С и изменении направления ЭДС в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Таким образом, в генераторе коллектор является м е х а н и ч е с к и м в ы п р я м и т е л е м, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше

Проводники обмотки якоря с током

Эти силы создают механический вращающий момент

Рассматриваемая простейшая машина может работать также д в и г а т е л е м, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника (рис. 13 (б)). При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы

и возникает электромагнитный момент

, как и для генератора, определяются равенствами (6) и (7). При достаточной величине

якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент

Чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора и двигателя были одинаковы, то направление действия

, а следовательно, и тока

у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором.

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает в качестве м е х а н и ч е с к о г о и н в е р т о р а тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС

, величина которой определяется равенством (2). Направление этой ЭДС в двигателе такое же, как и в генераторе. Таким образом, в двигателе ЭДС якоря

направлена против тока

и приложенного к зажимам якоря напряжения

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС

, В. (8)

Из изложенного выше следует, что каждая МПТ может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся ЭМ и называется о б р а т и м о с т ь ю.

Для перехода МПТ из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря. Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.