НТУ «Днепровская политехника» — соответствие Времени
Назад к главе 4 Электротехника и электроника Далее к §13



§ 12. ТРАНСФОРМАТОРЫ

Устройство. Обычно трансформатор состоит из стального замкнутого магнитопровода и двух или нескольких индуктивно связанных между собой обмоток. Магнитопровод необходим для усиления электромагнитной связи между обмотками. На рис. 48 изображен магнитопровод трансформатора, состоящий из стержней 1, на которых размещены обмотки, а также верхнего 2 и нижнего 3 ярма.

 

Рис. 48. Магнитопровод трехфазного трансформатора

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод собирают из листов элекротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы изолируют друг от друга лаком, тонкой бумагой или слоем окалины, получаемой за счет специальной металлургической обработки их поверхностей. Листы обычно собирают «внахлестку», т. е. с перекрытием зазоров. Это позволяет обеспечить высокую магнитную проводимость магнитопровода и ограничить пути для прохождения вихревых токов Листы магнитопровода стягиваются болтами, пропущенными через изолированные втулки.

В системе электроснабжения в основном используют масляные трансформаторы. В них магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом. Пропитка маслом повышает электрическую прочность изоляции, а его циркуляция улучшает охлаждение обмоток и магнитопровода. Увеличивают охлаждающую поверхность трансформаторов использованием трубчатых радиаторов.

Рис. 49. Обмотки трансформатора

 

Рис. 50. Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора

В общественных и производственных помещениях по условиям пожарной безопасности баки трансформаторов заполняют негорючей жидкостью (соволом, совтолом) или используют сухие трансформаторы, с воздушным охлаждением. Они рассчитаны на меньшие мощности, чем масляные, и выполняются на напряжения до 10 кВ.

Обмотки трансформаторов чаще всего выполняют в виде цилиндрических катушек из медных или алюминиевых изолированных друг от друга проводов круглого или прямоугольного сечения. Для лучшей магнитной связи их обычно располагают концентрически одна на другой, как это показано на рис. 49. Ближе к стержню обычно находится обмотка низшего напряжения НН, а обмотка высшего напряжения ВВ — снаружи.

Принцип действия. Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции.

Рассмотрим двухобмоточный однофазный трансформатор (рис. 50). В нем имеются индуктивно связанные обмотки: первичная w1 и вторичная w2. Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения U1, то по ней будет протекать ток i1, который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки обмоток трансформатора, будет индуцировать в них эдс e1 и е2 Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии Zн то по этой обмотке и через приемник будет протекать ток I2.

►   Таким образом электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной цепи во вторичную.

Эдс в обмотках. Мгновенные значения эдс, индуцируемых в обмотках трансформатора, определяются выражениями:

 

Действующие значения этих эдс при синусоидальном изменении магнитного потока Ф

где f — частота сети, Гц; Фm — максимальное значение основного потока, Вб.

Отношение эдс обмоток трансформатора, равное отношению числа витков, называется коэффициентом трансформации

►   При kТ>1 трансформатор понижающий, при kТ<1 — повышающий. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

Режимы работы. В режиме холостого хода трансформатора цепь его вторичной обмотки разомкнута; к первичной подведено номинальное напряжение U, в ней протекает небольшой ток холостого хода I0.

►   В этих условиях можно считать, что Е1=U1 и E2=U2, поэтому коэффициент трансформации и определяют при этом режиме работы трансформатора.

Опытом холостого хода можно найти также потери мощности Ро в стали магнитопровода на гистерезис и вихревые токи.

В рабочем режиме работы трансформатора по его обмоткам w1 и w2 проходят токи I1 и I2 при напряжениях на обмотках U1 и U2. В номинальном рабочем режиме номинальные токи I, I при номинальных напряжениях U и U.

Пренебрегая падением напряжения в первичной обмотке трансформатора, можно считать U1E1. Тогда при неизменном по значению напряжении U1=U при любой нагрузке трансформатора эдс Е1 постоянна. Так как эдс Е1 зависит от магнитного потока (Е1 = 4,44w1Фf), то и магнитный поток при любой нагрузке можно считать постоянным.

Ток I2, проходящий во вторичной обмотке трансформатора, создает свой магнитный поток, который, согласно правилу Ленца, направлен встречно магнитному потоку первичной обмотки и стремится его уменьшить. Чтобы результирующий магнитный поток оставался неизменным, магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки. Поэтому при увеличении тока I2 увеличивается и ток I1. Магнитные потоки, создаваемые этими токами, уравновешиваются, и результирующий магнитный поток в сердечнике сохраняет практически неизменное значение.

Если пренебречь потерями в трансформаторе, то можно считать равными мощности трансформатора, потребляемую из сети и отдаваемую потребителю:

Тогда

►   В понижающем трансформаторе U1>U2 в kТ раз; I1<I2 также в kТ раз. В повышающем трансформаторе соотношение обратное.

Загрузка трансформатора в рабочем режиме оценивается коэффициентом

где Р2 — полезная мощность трансформатора; Sн — номинальная полная мощность; соs — коэффициент мощности нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко. Следует различать короткое замыкание в условиях эксплуатации и опыта.

►   В эксплуатационных условиях короткое замыкание — аварийный режим, при котором в трансформаторе выделяется большое количество теплоты и создаются большие механические усилия, способные его разрушить.

►   Опыт же короткого замыкания производят при таком первичном напряжении, чтобы значения токов I1 и I2 обмоток трансформатора были номинальными.

Это напряжение Uк (в процентах от U указывают на щитке трансформатора рядом с другими номинальными данными. Оно характеризует значение сопротивлений обмоток трансформатора и используется при расчетах падения напряжения в трансформаторе при нагрузке и тока короткого замыкания:

Малому значению эдс Е1Uк соответствует малое значение магнитных потерь. Определяемые же в этом опыте потери Рк в обмотках такие же, как и в номинальном режиме работы трансформатора, поскольку в обмотках протекают номинальные токи.

Внешняя характеристика. С изменением нагрузки трансформатора изменяются токи I1 и I2 в его обмотках, падение напряжения в них и напряжение U2 на зажимах вторичной обмотки.

Зависимость U2(I) называется внешней характеристикой.

При обычной, активно-индуктивной, нагрузке эта характеристика имеет вид наклонной прямой, представленной на рис. 51, где отмечено изменение напряжения  при номинальном токе I.

Потери и кпд. Преобразование электроэнергии в трансформаторах происходит с высоким кпд (до 98—99 % в мощных трансформаторах).

Периодические изменения магнитного поля в магнито-проводе трансформатора сопровождаются потерями в стали магнитопровода на гистерезис и вихревые токи. Эти потери зависят от сорта стали, возрастают с увеличением частоты, магнитной индукции и массы магнитопровода.

Потери в стали не зависят от нагрузки и равны потерям холостого хода:

Прохождение токов по обмоткам трансформатора вызывает потери мощности в обмотках, пропорциональные квадрату коэффициента загрузки трансформатора:

где Рк — номинальные потери в обмотках.

Кпд трансформатора

 

 

Рис. 51. Внешняя характеристика трансформатора

 

Рис. 52. График зависимости = f()

На рис. 52 показана зависимость = f(). Видно, что при начальном нагружении трансформатора кпд резко возрастает, а затем меняется очень мало, достигая при некотором значении  максимума.

Трехфазный трансформатор. Для трансформации трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора (рис. 53, а), обмотки которых могут быть соединены по схеме звезды или треугольника. На практике применяют трехфазные трансформаторы (рис. 53, б) с общим для всех фаз магнитопроводом.

Зажимы трехфазного трансформатора различают в порядке чередования фаз: на стороне высшего напряжения зажимы А, В, С — начала обмоток, X, Y, Z — их концы; на стороне низшего напряжения соответственно а, b, с и х, y, z.

►   Основными способами соединения обмоток являются соединения звездой и треугольником.

Соединение обеих обмоток в звезду является самым простым и дешевым, поскольку каждая из обмоток и ее изоляция (при заземленной нейтрали) должны быть рассчитаны только на фазные напряжения и линейный ток. Соединение звезда — треугольник применяют для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтральный провод.

 

Рис. 53. Схемы включения трансформаторной группы (а) и трехфазного трехстержневого трансформатора (б)

 

Рис. 54. Принципиальная схема автотрансформатора

Отношение линейных напряжений зависит от способа соединений обмоток трансформатора. При схемах соединений обмоток звезда или треугольник отношения напряжений равны коэффициенту трансформации; при схемах звезда — треугольник и треугольник — звезда отношения напряжений соответственно больше и меньше этого коэффициента в  раз.

Автотрансформаторы. В автотрансформаторе обмотка низшего напряжения составляет часть обмотки высшего напряжения (рис. 54).

►   Электроэнергия в автотрансформаторах передается не только электромагнитным путем, но и за счет непосредственной связи обмоток.

Напряжения и токи в автотрансформаторе связаны теми же соотношениями, как и в обычном трансформаторе:

Токи I1 и I2 противоположны по фазе, поэтому в общей части обмотки w2 протекает ток

Для всей передаваемой мощности, называемой проходной, можно записать:

где SЭ — мощность, передаваемая из обмотки w1 в обмотку w2 благодаря электрической связи; SР — расчетная мощность, передаваемая магнитным путем.

Расчетная мощность определяет размеры магнитопровода и, так как она составляет лишь часть проходной, то при изготовлении автотрансформатора можно использовать магнитопровод меньшего сечения, чем при создании обычного трансформатора той же мощности. Это позволяет экономить сталь.

Помимо этого, при изготовлении автотрансформатора экономится медь. С уменьшением сечения магнитопровода уменьшается средняя длина витка; обмотки имеют общую часть и эта часть обмотки w2 может быть выполнена проводом меньшего сечения, чем обмотка низшего напряжения обычного трансформатора той же мощности.

Однако преимущества автотрансформатора существенны лишь при малых коэффициентах трансформации. При увеличении kТ, все больше сказывается принципиальный недостаток автотрансформатора — наличие электрической связи его обмоток. Из-за этого возрастает опасность поражения током лиц, пользующихся распределительной сетью. Кроме того, обе цепи (первичная и вторичная) должны быть одинаково изолированы по отношению к земле, что ведет к удорожанию сети.

Прочие типы трансформаторов. В энергетике применяют трехобмоточные трансформаторы с одной первичной и двумя вторичными обмотками или двумя первичными и одной вторичной обмоткой.

►   За номинальную мощность такого трансформатора принимают номинальную мощность наиболее мощной его обмотки.

В устройствах радиотехники и автоматики часто применяют многообмоточные трансформаторы малой мощности с одной первичной и несколькими вторичными обмотками (рис. 55).

В трансформаторах с плавным регулированием напряжения применяют контактные щетки, скользящие по неизолированной внешней поверхности вторичной обмотки, вследствие чего изменяется число включаемых в работу витков.

 

Рис. 55. Схема силового трансформатора с несколькими вторичными обмотками

Используют также трансформаторы с подвижной вторичной обмоткой, с подмагничиванием магнитопровода постоянным током и др.

Сварочные трансформаторы — это однофазные трансформаторы с вторичным напряжением на холостом ходу, равным 60—75 В.

►   При работе такого трансформатора короткое замыкание является нормальным эксплуатационным режимом.

Цепь сварочного тока трансформатора должна иметь большую индуктивность, для чего последовательно с вторичной обмоткой включают дроссель. Благодаря этому ограничивается ток короткого замыкания.

В выпрямительных трансформаторах в цепь вторичных обмоток включены электрические вентили, пропускающие ток в одном направлении. Несинусоидальность токов обмоток таких трансформаторов и дополнительное подмагничивание магнитопровода в однополупериодных схемах выпрямления приводят к увеличению габаритных размеров и массы трансформаторов по сравнению с трансформаторами, работающими на синусоидальных токах.

В устройствах автоматики, электроники, связи широко используют импульсные трансформаторы, которые служат для передачи импульсных сигналов малой длительности. Основное требование, предъявляемое к этим трансформаторам, — минимальное искажение сигнала — обеспечивается уменьшенным значением индукции в магнитопроводе и применением для него магнитных материалов с высокими магнитными свойствами (на высоких частотах). Так же как и в высокочастотных трансформаторах, здесь используют магнитопроводы из тонких листов высококачественной электротехнической стали, железоникелевых сплавов, магнитодиэлектриков и ферритов.

Для подключения электроизмерительных приборов к цепям с большими токами и напряжениями используют измерительные трансформаторы.




Назад к главе 4 Электротехника и электроника Далее к §13


© 2006-2018 Інформація про сайт