В. №30. Назначение, устройство и принцип действия трансформаторов

Трансформатором называют статическое устрой­ство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобра­зования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформаторы применяют в установках электросвар­ки (сварочные трансформаторы), в металлургической про­мышленности (электропечные трансформаторы), в полу­проводниковых преобразователях, с помощью которых осу­ществляют выпрямление переменного тока в постоянный и наоборот (выпрямительные трансформаторы), в системах измерения (измерительные трансформаторы), в радио- и те­леустановках, в системах автоматического управления, связи и др.

Основными элементами любого трансформатора явля­ются стальной магнитопровод и обмотки. Магнитопровод служит для размещения на нем обмоток и усиления индуктивной: связи между обмотками.. По­скольку магнитная проницаемость магнитоировода в сот­ни раз превышает магнитную проницаемость воздуха, то магнитный поток, создаваемый токами в обмотках транс­форматора, будет замыкаться в основном по магнитопро-воду, что позволяет увеличить магнитный поток при про­чих равных условиях и, следовательно, усилить индук­тивную связь обмоток.

В зависимости от количества N обмоток трансформа­торы бывают двухобмоточными (N= 2), трехобмоточ­ными (N= 3) и многообмоточными (N> 3).

Первичной обмоткой трансформатора называют об­мотку, к которой подводят электрическую энергию, а вторичной — обмотку, к которой подключают прием­ник электрической энергии.

Обмотку, рассчитанную на более высокое напряже­ние, называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а рассчитанную на более низкое напряжение — обмоткой низшего напряжения (НН). Выводы обмотки ВН одно­фазного трансформатора обозначают прописными латин­скими буквами А и X, а обмотки НН — строчными ла­тинскими буквами а и х.

Принцип действия трансформатора основан на явле­нии электромагнитной индукции. Так, если к первич­ной обмотке подвести переменное напряжение и₁, то в ней появится переменный ток i₁. Ток i₁ создает пере­менную магнитодвижущую силу (МДС) i₁ которая, в свою очередь, создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся в основном по стальному магнитопроводу. Этот магнитный поток называют основным магнит­ным потоком. Основной магнитный поток сцепляется со всеми витками как первичной, так и вторичной об­моток трансформатора и, согласно закону электромаг­нитной индукции, индуцирует в них переменные ЭДС е₁ и е₂ соответственно. Если теперь к зажимам вторич­ной обмотки подключить приемник электроэнергии, то под действием ЭДС е₂ в приемнике возникнет перемен­ный ток i₂.

Действующие значения первичной и вторичной ЭДС:

Отношение первичной ЭДС к вторичной, равное отно­шению чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации трансформатора

Если необходимо повысить напряжение источника питания, то число витков вторичной обмотки делают боль­ше числа витков первичной обмотки . Такой трансформатор называют повышающим. Если это напря­жение надо понизить, то делают . В этом случае трансформатор будет понижающим. Если требуется не­сколько различных значений вторичного напряжения, то на тот же магнитопровод наматывают несколько вто­ричных обмоток с различным числом витков.

При подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного тока на зажимах вторичной обмотки индуцируется переменная ЭДС и вторичная обмотка становится источником питания, к которой можно присоединить какой-либо электроприемник.

Билет 31. Уравнение напряжений трансформатора.

МДС первичной и вторичной обмоток создают так называемые потоки рассеяния Ф1_рас И Ф2_рас, каждый из которых сцеплен только c той из обмоток, МДС которой он создан. Магнитные силовые линии потоков рассеяния замыкают­ся преимущественно по возду­ху, поэтому индуктивности L₁ первичной и L₂ вторичной об­моток, обусловленные этими потоками, можно считать постоянными. Если токи в обмотках изменяются во времени по сину­соидальному закону, т. e. , и то потоки рассеяния также будут изменяться во времени, и в обмотках трансформатора при этом будут индуцироваться ЭДС самоиндукции, называемые ЭДС рассеяния:

Где и - амплитудные значе­ния этих ЭДС, а и

индуктивные сопротивления первичной и вторичтой обмо­ток соответственно, обусловленпые потоками рассеяния.

Действующие значения ЭДС рассеяния

Электрические схемы обмоток трансформатора. Здесь R₁ и R₂ – активные сопротивления обмоток, - комплексное сопротивление электроприемника, а вертикальная линия между обмотками означаeт что обмотки расположены на одном магнитопроводе.

На основании второго закона Кирхгофа с учетом уравнений можно написать урав­нения напряжений для первичной и вторичной обмоток трансформатора в комплексной форме.

Где и - комплексные сопро­тивления первичной и вторичной обмоток.

Билет 32 Холостой ход трансформатора.

Холостым ходом трансформатора называют режим, когда его вторичная обмотка разомкнута, ток в ней I₂ = 0 (нагрузка отсутствует). В режиме холостого хода к пер­вичной обмотке подведено напряжение u₁, в ней существует ток холостого хода i₀, а по магнитопроводу замыкается магнитный поток Ф, индуцирующий в первичной обмотке ЭДС е₁ и во вторичной – е₂.

Маг­нитный поток изменяется во времени по синусоидально­му закону. Изменение во времени тока i₀, создающего этот поток, и самого потока Ф определяется петлей гистерезиса. Восходящая ветвь соответствует четверти периода, когда магнитный поток увеличивается, а нисходящая - четверти периода, ког­да магнитный поток уменьшается. На рис. 7.11в показана зависимость тока холостого хода i₀ = f(t) в течение полупериода, найденная графи­ческим путем.

Как видно из рис. 7.11, ток холостого хода несинусо­идален. На практике при расчетах трансформатора и ана­лизе его работы несинусоидальный ток холостого хода за­меняют эквивалентным синусоидальным током (рис. 7.12а), амплитудное значение которого равно , где действующее значение тока i₀. Эквива­лентный синусоидальный ток опережает по фазе синусои­дальный магнитный поток на угол δ_с. Из векторной диаграммы видно, что комплексный ток холостого хода Iо кроме индуктивной составляющей I_μ, совпадающей по фазе с магнитным потоком и называе­мой намагничивающим током, имеет активную состав­ляющую I_оа совпадающую по фазе с напряжением U₁. Эта составляющая тока определяет ту часть электроэнер­гии, которая преобразуется в тепловую энергию преимущественно в магнитопроводе вследствие явления гисте­резиса и возникновения вихревых токов в нем при его перемагничивании переменным магнитным потоком. При этом вся тепловая энергия затрачивается на нагрев маг­нитопровода. Потери мощности холостого хода, затрачиваемые на нагрев магнитопровода . Для определения тока холостого хода I_o и потерь мощности Р_п0 проводят опыт холостого хода.

Опыт холостого хода. Для проведение опыта xoлoc­того хода собирают злектрическую цепь, схема которой изобряжена на рис. 7.13. Подводимое к первичной об­мотке напряжение U₁ измеряют от 0 до 1,1U_1ном, с помо­щью регулятора напряжения или автотрансформатора. Вторичная обмотка трансформатора разомкнута, к ее зажимам присоединен вольтметр V2 для измереиия напряжения U2. Измеряют напряжения U₁ и U₂, ток холостого хода Io и активную мощность Р₀ энергии, потребляемой трансформатором в режиме холостого хода. По данным измерений строят зависимости I₀ и P₀ от U₁ называемые характеристиками холостого хода трансформатора. Напряжение U₁ по значению практически равно ЭДС. . - описывает кривую намагничивания; следовательно так же имеет вид кривой намагничивания. Измеренная ваттметром мощность практически равна потерям мощности в магнитопроводе, пропорциональным квадрату магнитного потока или напряжения и зависимость имеет вид пораболы. Кроме того, из опыта холостого хода можно определить коэффициент трансформации трансформатора: k = Е₁/Е₂ = U₁₀/U₂₀.

Билет 33. Работа трансформатора под нагрузкой.

для первичной обмотки справедливо уравнение . - можно пренебречь и считать что

, откуда при U₁ = coпst и f = const получим, что .

Так как магнитным потоком во вторичной обмотке индуцируется ЭДС Е₂, то к ней можно присоединить электроприемник (нагрузку) Z_н (рис. 7.15). Под действи­ем этой ЭДС в замкнутой цепи вторичной обмотки возни­кает ток I₂. В первичной обмот­ке сама обмотка играет роль внешней цепи и ток I₁, в ней направлен от начала обмотки. В цепи вторичной обмот­ки внешней цепью является электроприемник, поэтому вторичный ток I₂ следует направить от начала обмотки к электроприемнику. Вторичный ток I₂ создает МДС I₂w₂, которая, в свою очередь, создает вторичный магнитный поток Ф₂, кото­рый замыкается в основном по магнитопроводу (см. рис. 7.15а). Теперь . Вследствие этого в первичной обмотке возникает допол­нительная составляющая тока I_1k, называемая компен­сационным током. Чем больше ток I₂, тем больше ток I_1к и, следовательно, больше ток первичной обмотки I_1k и мощность . Сначала электриче­ская энергия преобразуется в энергию магнитного поля, а затем энергия магнитного поля снова преобразуется в электрическую энергию.

Билет 34. Короткое замыкание трансформатора.

Режимом короткого замыкания трансформатора на­зывают такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты проводом с сопротивлением, равным нулю (Z_н = 0). Короткое замыкание трансформатора в услови­ях эксплуатации создает аварийный режим, так как вто­ричный ток, а следовательно, и первичный увеличива­ются в несколько раз по сравнению с номинальным. По­этому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматиче­ски отключает трансформатор. Напряжение короткого замыкания. Напряжение U_K, при котором I₁= I_1ном называют напря­жением испытательного короткого замыкания трансфор­матора или просто напряжением короткого замыкания. Это напряжение обычно выражают в процентах от номинального напряжения U_1номи обозначают u_к, причем . Напряжение короткого замыкания зависит от выс­шего напряжения обмоток трансформатора и увеличива­ется с его повышением. Так как при коротком замыкании вторичной обмот­ки трансформатора напряжение на ее зажимах U₂ = 0, уравнение напряжения для нее принимает вид , уравнение записывается как . Этому уравнению соответ­ствует схема замещения транс­форматора, изображенная на рис. 7.20. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замы­кании. Напря­жение короткого замыкания U _к имеет активную U _ка и ре­активную U _кр составляющие. Угол φ_к между векторами на­пряжения и тока зависит от соотношения между активной и реактивной индуктивной составляющими сопротивле­ния трансформатора . Поэтому считают, что у трансформаторов большой мощности U_к = U_кр, а полное сопротивление Z_к = Х_к. Опыт короткого замыкания проводят для определения параметров трансформатора. Собирают электрическую цепь, соответ­ствующую схеме (рис. 7.22), в которой вторичная обмот­ка замкнута накоротко металлической перемычкой или проводником с сопротивлением, близким к нулю. Р_пк- Ее называют электрическими потерями или потерями короткого замыкания. По данным измерений определяют следующие три параметра трансформатора: 1) напряжение короткого замыкания u_к=(U_к/U_1ном)*100%; 2) мощность потерь короткого замыкания Р_пк при I₁ =I_1ном; 3) потное, активное и индуктивное сопротивления трансформатора: ; ; . 3ная сопротивления Z_к R_к и Х_к; трансформатора, мож­но построить треугольник напряжений короткого замы­кания (треугольник 0АВ на рис. 7.21), а также опреде­лить активную и индуктивную составляющие напряже­ния короткого замыкания: ; .

Билет 36. Потери мощности и КПД трансформатора.

Подводимая к трансформатору энергия определяется мощностью Р₁ = U₁I₁cosφ₁ а энергия, отдаваемая транс­форматором электроприемнику, определяется мощностью Р₂ = U₂l₂cosφ₂. Разность Р_п = P₁ – Р₂ представляет собой мощность потерь в трансформаторе. Чем больше мощность трансформатора, тем меньше мощность потерь в нем. Коэффициент полезного действия трансформатора η = Р₂/Р₁. КПД трансформатора опре­деляют косвенным путем по формуле . Мощность потерь в трансформаторе складывается из мощности потерь Р_п0 в магнитопроводе и мощности по­терь Р_пэ, в обмотках: Р_п = Р_п0+ Р_пэ. Мощность потерь на нагрев обмоток Р_пэ = I'₂²R_к= I₁²R_к. Используя выражение для коэффициента нагруз­ки трансформатора , откуда , получим выражение для мощности потерь ,

где Р_пк- потери в обмотках, определяемые в опыте ко­роткого замыкания при I_1ном, указываемые в паспорте трансформатора или в каталоге на трансформаторы, где этот вид потерь обозначен как Р_к, а значение приведено в киловаттах. Таким образом, ; следовательно . По этой формуле можно рассчитать КПД для любого значения нагрузки и cosφ₂. Продифференцировав выра­жение, получим, что η максимален при условии т. e. при равенстве мощности потерь холостого хода и короткого замыкания, откуда оптимальный коэффициент нагрузки .

Билет 37. Трехобмоточные и трехфазные трансформаторы.

Трехобмоточные трансформаторы являются самыми распространенными среди силовых миогообмоточных трансформаторов. Одна обмотка является первичной, к вей подводят напряжение U₁ от источника питания. Остальные обмотки - вторичные, к ним подключают нагрузку. На вторичных обмотках имеем различное на­пряжение. По уровню напряжения различают обмотки высшего напряжения (ВН), среднего (СН) и низшего (НН). Трех­обмоточные трансформаторы применяют тогда, когда необходимо передавать электроэнергию на различные расстояния (чем больше расстояние передачи, тем боль­шее напряжение требуется), а также для связи электрических сетей различного напряжения. Урав­нения ЭДС обмоток остаются неизменными, а уравне­ние токов имеет вид , где I₀ - ток холостого хода; I ₁ - ток первичной обмот­ки; I'₂ и I'₃ - приведенные токи вторичных обмоток. Трансформатор имеет три коэффициента трансфор­мации: ; ; ; и три напряжения короткого замыкания: u_к12; u_к13; u_к23;

Магнитная система трехфазных трансформаторов имеет два конструктивных исполнения. На рис. 7.26а изображен трехфазный трансформатор, состоящий из трех однофазных. Такой трансформатор называют трехфазным групповым. Каждая из трех фаз имеет самостоятельный

магнитопровод, поэтому электро­магнитные процессы в каждой из фаз протекают самостоятельно. Трехстержневой трансфор­матор имеет связан­ную магнитную систему. Первич­ная и вторичные обмотки каж­дой фазы располагают на одном стержне. В любой момент времени направление фазных магнитных потоков в стержнях таково, что их сумма равна нулю. Путь замыкания через крайний стержень длиннее, чем через средний, и поэтому общее магнитное сопротивление для потока край­ней фазы больше, чем для потока средней фазы. Поэтому для создания симметричной системы фазных потоков требуются разные МДС фаз I₀w₁: для средней фазы, имею­щей меньшее магнитное сопротивление, требуемая МДС меньшая, чем для крайних фаз. Следствием этого явля­ется несимметричная система токов холостого хода, при которой ток I_0B меньше, чем токи I_0A и I_0C. При больших мощностях трех­стержневые трансформаторы не применяют, поскольку в этом случае возникают трудности в технологии их изготовления. Кроме того, такие трансформаторы очень гро­моздки и их трудно транспортировать. Поэтому при боль­ших мощностях используют групповые трансформаторы, которые к тому же имеют некоторое преимущество пе­ред трехстержневыми по условиям резервирования (в ка­честве резерва у них достаточно иметь одну фазу).

Билет 39. Измерительные трансформаторы.

Для расширения пределов измерения приборов и для изоляции их от цепей высокого напряжения при­меняют измерительные трансформаторы: трансформато­ры тока и трансформато­ры напряжения. Трансформато­р тока используют для расширения пределов измерения амперметров и последовательных обмоток ваттметров, счетчиков энергии и фазометров. Его первичную обмотку включают последовательно в ту цепь, ток в которой надо измерить. K зажимам вторичной обмотки подключают амперметр или последовательные обмотки ваттметра, счетчика и фазометра. Чтобы ток во вторичной обмотке был, меньше измеряемого первич­ного тока, число витков вторичной обмотки делают большим. Вторичную обмотку и металлические части ко­жуха заземляют. Подключаемые ко вторичной об­мотке приборы обычно имеют небольшое сопротивление. Поэтому для трансформатора нормальным режимом является режим короткого замыкания при котором можно считать . При от­ключении или замене прибора вторичная обмотка транс­форматора тока должна быть обязательно закорочена. Для трансформаторов тока, как и для силовых трансформато­ров, справедливо уравнение МДС . Трансформаторы тока имеют стандартные номинальные первичные токи от 5 до 15000 А при номинальном вторичном токе 5 А.

Трансформаторы напряжения применяют в сетях высокого напряжения для измерения напряжения и часто­ты. K вторичной обмотке подключают вольтметры, часто­томеры и параллельные обмотки ваттметров, счетчиков и фазометров, т. е. обмотки, имеющие большое сопротивле­ние. Поэтому для трансформаторов напряжения нормаль­ным режимом является режим холостого хода. Трансформаторы напряжения конструктивно мало отличаются от обычных силовых трансформаторов. Они имеют небольшую мощность и включаются в сеть так же, как обычные трансформаторы. Вторич­ная обмотка заземлена. Коэффициент трансформации выбирают таким, чтобы вторичное напряжение было равно 100 B.

Билет 35. Внешняя характеристика трансформатора.

Внешней характеристикой трансформатора называ­ют зависимость вторичного напряжения от тока на­грузки при постоянных значениях первичного напряжения и коэффициента мощности нагрузки:

.

При холостом ходе трансформатора можно считать, что U’₂ = U'₂₀ = U₁, поэтому U’₂ = U'₂₀-∆U

т. е. напряжение на вторичной обмотке отличается от напряжения при холостом ходе на значение потери напря­жения в трансформаторе. u'₂=u₂=100-∆u. Для трансформаторов большой мощности

u₂=100-βu_кsinφ₂. B си­ловых трансформаторах при cosφ₂=1 будет sinφ₂=0, и напряжение U₂ остается неизменным при всех значениях нагрузки. При активно-иидуктивной нагрузке φ₂ по­ложителен, и чем он больше, тем больше потери напря­жения и тем значительнее снижение напряжения U₂ с ростом тока нагрузки. При активно-емкостной нагрузке

φ₂ отрицателен и потеря напряжения ∆u =-βu_кsinφ₂ так­же отрицательна. Уравнение (7.20) принимает вид u₂=100+βu_кsinφ₂. С ростом β напряжение U₂ увеличивается по сравнению с U₂₀.

Для трансформаторов малой мощности нельзя пре­небрегать активной составляющей напряжения коротко­го замыкания. . Наличие составляющей U_ка обусловливает снижение напряжения U₂ при активной нагрузке и уменьшение отклонения напряжения от номинального значения при наличии реактивной составляющей тока нагрузки.

Билет 40. Сварочные трансформаторы.

В конструктивном от­ношении имеется большое разнообразие сварочных трансформаторов. B значительной степени это опреде­ляется видом сварки (дуговая, Стыкован, шовная, то­чечная). При дуговой сварке вольтамперная характеристика электрической дуги имеет вид, показанный на рис. 7.39 (кривая 1). Вольтамперная (илы внешняя) характеристика трансформатора, т. е. источника питания дуги, дол­жна иметь точки пересечения с вольтамперной харак­теристикой дуги, чтобы ее горение было устойчивым. Следовательно, сварочный трансформатора должен иметь крутопадающую внешнюю характеристику (кривая 2). Зажигание дуги происходит в точке А1 при напряже­нии 60...70 В, а устойчивое горение дуги - в точке А2 при напряжении 12...30 B и при большом токе. Для получения крутопадающей внешней характерис­тики можно использовать включенную последовательно с вторичной обмоткой индуктивную катушку с большим индуктивным сопротивлением (реактор) или обеспечить большие магнитные потоки рассеяния (большое Х_к) в самом трансформаторе.

Билет 38. Схемы и группы соединения обмоток трехфазного трансформатора.

Первичные и вторичные обмотки трехфазных транс­форматоров (групповых и трехстержневых) соединяют звездой или треугольником. B некоторых случаях об­мотки трансформаторов соединяют по схеме зигзаг. При соединении обмоток звездой с выводом нейтральной точки это соединение обозначают знаком ¥. Схемы со­единения первичной и вторичной обмоток двухобмоточ­ного трансформатора обозначают дробью, в числителе которой указывают схему соединения первичной обмот­ки, а в знаменателе - схему соединения первичной об­мотки, например Y/¥, ∆/∆, Ұ/∆. Схемы соединения об­моток трехобмоточтных трансформаторов обозначают сле­дующим образом: Y/У/∆. Обмотку высшего напряжения трансформатора с эко­номической точки зрения выгоднее соединять звездой, так как для получения заданного линейного напряже­ния U_л требуется фазное напряжение U_Ф = U_л /, и сле­довательно, меньшее число витков обмотки и меньший расход изоляционных материалов. Обмотка, соединен­ная треугольником, также имеет свои преимущества. При наличии обмотки, соединен­ной треугольнигсом, под дей­ствием ЭДС третьего поряд­ка в замкнутом треугольнике обмоток появится ток и падение напряжения в обмот­ках уравновесит ЭДС третьей гармоники. Линейные напря­жения обмотки, соединенной треугольником, будут сину­соидапьными. Поэтому у трансфорлаторов большой мощ­ности одну из обмоток обычно соединнют треугольникам. При использовании трехфазных трансформаторов в сложных системах с большим числом тронсформаций и при наличии параллельных ветвей с трансформаторами всегда необходимо знать сдвиг фаз между первичным и вторичным линейными напряжениями. Этот сдвиг ха­рактеризуется Группой соединения обмоток. Группу соединения обмоток трехфазного трансформатора обозначают цифрой часового циферблата, на которую указывает вектор линейной вторичной ЭДС при условии, что вектор линейной первичной ЭДС направлен на ноль часов. Для случая соединения первичной и вторичной обмо­ток звездой векторные диаграммы фазных и линейных ЭДС изображены на рис. 7.ЗОа. Сначала строят диаграмму фазных ЭДС (система ЭДС симметрична), диаграмму ли­нейных ЭДС строят на основании формул (4.3). Из век­торных диаграмм видно, что при совпадении по фазе фазных ЭДC линейные ЭДС первичной и вторичной об­моток также совпадают по фазе. Итак, группа соединения 0 получается при одинаковой схеме соединения первичной и вторичной обмоток. Эта группа соединения обозначает­ся Y/ Y - 0, ∆/∆ - 0. При соединении первичной обмотки звездой, а вторичной - Треугольником (СМ. рис. 7.286) получим Дру­гую группу соединения. Чтобы получить соединение вто­ричной обмотки треугольником, начало фазы а соединя­ют с концом фазы b и т. д. Векторная диаграмма ЭДС первичной обмотки (рис. 7.306) остается той же, что и на рис. 7.30а. Таким образом, при соединении первичной обмотки звез­дой, а вторичной - треугольником получили группу сое­динения 11 (Y /∆ - 11).

Дата добавления: 2015-05-06