Электроника. 1 подборка материала раздел 7 Трансформаторы
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
1 ПОДБОРКА МАТЕРИАЛА Раздел 7 Трансформаторы 2 1. Назначение и принцип действия трансформатора Назначение трансформатора. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты (рис.1). Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ. Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах, и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи. В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (220, 380 и 660 В, при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На ЭПС переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого от контактной сети к тяговым двигателями вспомогательным цепям. Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются и другие трансформаторы тяговые (для ЭПС), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми. Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов вцепи высокого напряжения (их называют измерительными, для электросварки и других целей. Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные. Рис. Внешний вид трансформатора УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ для преподавателя и учащихся Раздел 7. ТРАНСФОРМАТОРЫ 3 Принцип действия трансформатора. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции и заключается в следующем. На железный сердечник наматывают две обмотки (рис, одну из них соединяют с источником переменного тока, а другую — с потребителем тока (сопротивлением).Обмотка, соединенная с источником переменного тока, создает в сердечнике (поз Рис) переменный магнитный поток Ф, который в другой обмотке индуцирует ЭДС. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. Рис. 2. Схема включения однофазного трансформатора Обмотку, соединенную с источником переменного тока, называют первичной поз Риса обмотку, к которой присоединяется потребитель, — вторичной поз Рис . Но так как переменный магнитный поток пронизывает одновременно обе обмотки, тов каждой из них индуцируются переменные ЭДС е 1 и е 2 Величина ЭДС каждого витка, как и ЭДС всей обмотки, зависит от величины магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Скорость изменения магнитного потока зависит исключительно от частоты переменного тока, постоянной для данного тока. Постоянна для данного трансформатора также и величина магнитного потока. Поэтому в рассматриваемом трансформаторе ЭДС в каждой обмотке зависит только от количества витков в ней. Если к одной из обмоток трансформатора подано напряжение сети, то с другой обмотки будет снято напряжение, большее или меньшее напряжения сети во столько раз, во сколько раз больше или меньше количество витков вторичной обмотки. Если с вторичной обмотки снимается напряжение, большее, чем поданное к первичной обмотке, то такой трансформатор называется повышающим Наоборот, если с вторичной обмотки снимается напряжение, меньше первичного, то такой трансформатор называется понижающим. Каждый трансформатор может быть использован как повышающий и как понижающий. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием ЭДС е 2 по ее цепи проходит ток I 2 . 4 Коэффициент трансформации обычно указывается в паспорте трансформатора как отношение высшего напряжения к низшему, то есть он всегда больше единицы. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая ЭДС В результате этого отношение действующихзначенийЭДС. Е 1 и Е 2 , индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков и этих обмоток, то есть. E 1 / E 2 = w 1 / w 2 . (1) Отношение ЭДС E вн обмотки высшего напряжения к ЭДС Е нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации n = E вн / Е нн = w вн ,/ w нн (2) где w вн - число витков обмотки с высшего напряжения w нн - число витков обмотки с нисшего напряжения Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (они не превышают обычно 2—5 %), то можно считать, что отношение напряжения первичной обмотки к напряжению вторичной обмотки приблизительно равноотношению чисел их витков,то есть. U 1 / U 2 ≈ w 1 / w 2 .(3) Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на вторичной обмотке. Если w 1 > w 2 , то получим понижающий трансформатор. Если w 1 < w 2 , тополучим повышающий трансформатор. Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока.При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать ЭДС в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную. При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора (то есть электрическая мощность и ток I 2 ), тем больше электрическая мощность и ток поступающие от сети в первичную обмотку 5 Ввиду того, что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям I 1 / I 2 ≈ U 2 / U 1 (4) или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток I 1 / I 2 ≈ w 1 / w 2 . Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной во столько раз, во сколько напряжение U 2 больше напряжения U 1 ), а в понижающем наоборот. Следовательно в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения. 2. Устройство трансформаторов Магнитопровод. Трансформаторы в зависимости от конфигурации магнитопровода подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные. Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Их конструкция более простая и позволяет легче осуществлять изоляцию и ремонт обмоток (рис. 3). Достоинством их являются также лучшие условия охлаждения, поэтому они требуют меньшего расхода обмоточных проводов. Рис. 3. Принципиальные схемы стержневого (а, броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов Однофазные трансформаторы малой мощности чаще всего выполняют броневыми и тороидальными, так как они имеют меньшую массу и стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами 6 из-за меньшего числа катушек и упрощения процесса сборки и изготовления (см. рис. 3). Тяговые трансформаторы с регулированием напряжения на стороне низшего напряжения — стержневого типа, ас регулированием на стороне высшего напряжения — броневого типа. Магнитопроводы трансформаторов (рис. 4) для уменьшения потерь от вихревых токов собирают из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Обычно применяют горячекатаную сталь с высоким содержанием кремния или холоднокатаную сталь. Листы изолируют один от другого тонкой бумагой или лаком. Рис. 4. Магнитопроводы однофазного тягового (аи силового трехфазного (б) трансформаторов 1 — стержень 2 — ярмовые балки 3 — стяжные шпильки 4 — основание для установки катушек 5 — ярмо Стержни магнитопровода трансформатора средней мощности имеют квадратное или крестовидное сечение, ау более мощных трансформаторов — ступенчатое, по форме приближающееся к кругу риса. В мощных трансформаторах между отдельными стальными пакетами, из которых собираются стержни, устраивают каналы шириной 5—6 мм для циркуляции охлаждающего масла. В силовых трансформаторах магнитопровод собирают из прямоугольных листов. Сочленение стержней и ярма обычно выполняют с взаимным перекрытием их листов внахлестку. Для этого листы в двух смежных слоях сердечника располагают, как показано на рис. б, г,то естьлисты стержней 1, и ярма 2, каждого последующего слоя перекрывают стык в соответствующих листах предыдущего слоя, существенно уменьшая магнитное сопротивление вместе сочленения. Окончательную сборку магнитопровода осуществляют после установки катушек на стержни (рис. в. 7 Рис. 5. Формы поперечного сечения (аи последовательность сборки магнитопровода (б, г) В трансформаторах малой мощности магнитопроводы собирают из штампованных листов Пи Ш-образной формы или из штампованных колец (рис. 6 а—в). Рис. 6. Сердечники однофазных трансформаторов малой мощности, собранные из штампованных листов (а, б, колец (в) и стальной ленты (г—ж) Большое распространение получили также магнитопроводы рис. 6 г—ж), навитые из узкой ленты электротехнической стали обычно из холоднокатаной) или из специальных железоникелевых сплавов. Обмотки. Первичную и вторичную обмотки для лучшей магнитной связи располагают как можно ближе друг к другу на каждом стержне I магнитопровода размещают либо обе обмотки и 3 и концентрически одну поверх другой (риса, либо обмотки и выполняют в виде чередующихся дисковых секций — катушек (рис. б. В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором — чередующимися, или дисковыми. 8 Рис. 7. Расположение концентрических (а, дисковых (б) и концентрическх трехслойных (в) обмоток трансформатора В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням обычно располагают обмотку низкого напряжения, требующую меньшей изоляции относительно магнитопровода трансформатора, снаружи — обмотку высокого напряжения. В трансформаторах броневого типа иногда применяют дисковые обмотки. По краям стержня устанавливают катушки, принадлежащие обмотке низкого напряжения. Отдельные катушки соединяют последовательно или параллельно. В трансформаторах электроподвижного состава (ЭПС), у которых вторичная обмотка имеет ряд выводов для изменения напряжения, подаваемого к тяговым двигателям, на каждом стержне располагают потри концентрических обмотки (рис. в. Ближе к стержню размещают нерегулируемую часть вторичной обмотки, в середине — первичную обмотку высокого напряжения и поверх нее — регулируемую часть 6 вторичной обмотки. Размещение регулируемой части этой обмотки снаружи упрощает выполнение выводов от отдельных ее витков. В трансформаторах малой мощности используютмногослойные обмотки из провода круглого сечения с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, который наматывают на каркас из электро- картона. Между слоями проводов прокладывают изоляцию из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаком. В мощных трансформаторах, устанавливаемых на ЭПС, тяговых подстанциях и пр, применяютнепрерывные спиральные(рис. аи винтовые параллельные(рис. б) обмотки,обладающие высокой механической прочностью и надежностью. Катушки расположены друг над другом. Между ними устанавливают прокладки и рейки из электрокартона, которые образуют горизонтальные и вертикальные каналы для прохода охлаждающей жидкости (масла. 9 Рис. 8. Непрерывная спиральная (аи винтовая (б) обмотки мощных трансформаторов электрического подвижного состава 1 — выводы 2, 6 — каналы для прохода охлаждающей жидкости 3 — катушки 4 — опорные кольца 5 — рейки 7 — бакелитовый цилиндр 8 — проводники обмотки Рис. 9. Устройство трансформаторов общего назначения (аи тягового (б) с масляным охлаждением 1 — термометр 2 — выводы обмотки высшего напряжения 3 — выводы обмотки низшего напряжения 4, 6 — пробки для заливки масла 5 — масломерное стекло 7 — расширитель 8 — сердечник 9, 10 — обмотки высшего и низшего напряжений 11 — пробка для спуска масла 12 — бак для охлаждения масла 13 — трубы для охлаждения масла 14 — теплообменник 15 — воздуховоды 16, 18 — стойки для установки переключателя выводов трансформатора 17 — заводской щиток 19 — насос для циркуляции масла 20 — опорные балки 10 Система охлаждения. Способ охлаждения трансформатора зависит от его номинальной мощности. При увеличении мощности трансформатора необходимо увеличивать и интенсивность его охлаждения. Трансформаторы малой мощности обычно выполняют с естественным воздушным охлаждением и называют сухими. Отвод тепла в них происходит путем непосредственной теплоотдачи от нагретых поверхностей обмотки и магнитопровода к окружающему воздуху. В трансформаторах средней и большой мощности сердечник с обмотками целиком погружают в бак, наполненный тщательно очищенным минеральным (трансформаторным) маслом (риса. Такой способ отвода тепла называют естественным масляным охлаждением Трансформаторное масло обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и хорошо отводит тепло от обмоток и сердечника трансформатора к стенкам бака. На ЭПС переменного тока применяют трансформаторы с масляным охлаждением и принудительной циркуляцией масла через теплообменник, охлаждаемый воздухом (рис. б. Масло в трансформаторе вовремя работы нагревается и расширяется. Приуменьшении нагрузки оно, охлаждаясь, возвращается к первоначальному объему. Поэтому масляные трансформаторы снабжают дополнительным баком — расширителем, соединенным с внутренней полостью бака. Многообмоточные трансформаторы. Наиболее распространены двухобмоточные однофазные трансформаторы (риса. Рис. 10. Схемы двухобмоточного (аи многообмоточного (б) трансформаторов 11 При необходимости получения от одного трансформатора нескольких различных напряжений u 21 , u 22 , рис. б) используют многообмоточные трансформаторы, у которых на магнитопроводе расположено несколько вторичных обмоток с различным числом витков. Например, тяговые трансформаторы электровозов имеют обычно четыре обмотки первичную (высшего напряжения) и три вторичные (низшего напряжения. 3. Режимы работы трансформатора и его характеристики Режим холостого хода. При разомкнутой вторичной обмотке трансформатор работает в режиме холостого хода. Ток холостого хода I 0 , проходящий по первичной обмотке, имеет две составляющие активную аи реактивную. При этом I 0 = а + I 0 р Реактивная составляющая называется намагничивающим током, этот ток создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Активная составляющая обеспечивает поступление в трансформатор электрической энергии, необходимой для компенсации потерь энергии встали магнитопровода. Она невелика, поэтому ток холостого хода практически можно считать равным намагничивающему току I 0 ≈ I 0р ЭДС, индуцированные в первичной и вторичной обмотках, согласно закону электромагнитной индукции, пропорциональны скорости изменения магнитного потока. Следовательно, они пропорциональны максимальному значению магнитного потока Ф т и частоте его изменения. В каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется ЭДС, действующее значение которой определяется E B = 4,44 f Ф m , где 4,44 = 2 √2 — постоянная. Соответственно E 1 = 4,44 f Ф E 2 = 4,44 f Ф. При холостом ходе ЭДС Е 1 практически равна питающему напряжению U 1 , так как падение напряжения в первичной обмотке, создаваемое небольшим током холостого хода, мало. Если изменяется напряжение U 1 , то будут меняться ЭДС Е 1 , магнитный поток Фи ток холостого хода / 0 12 Зависимость ЭДС Е 1 от тока холостого хода называется характеристикой холостого хода рис. 11). Рис. 11. Характеристика силовых и выпрямительных трансформаторов холостого хода При малых напряжениях и ЭДС Е 1 магнитный поток трансформатора мал, и для его создания требуется небольшой ток холостого хода. В этом случае магнитная система трансформатора не насыщена и ток возрастает пропорционально U 1 . При дальнейшем увеличении напряжения магнитная цепь трансформатора насыщается и ток начинает расти быстрее, чем ЭДС Е 1. Значительное увеличение напряжения свыше номинального недопустимо, так как при этом резко увеличивается ток холостого хода. Нагрузочный режим При подключении нагрузки Z Н к вторичной обмотке трансформатора (рис. 12) он начинает отдавать нагрузке некоторую мощность. Соответственно увеличивается и мощность, получаемая первичной обмоткой из питающей сети. Следовательно, при увеличении тока во вторичной обмотке возрастает и ток в первичной обмотке. Рис. 12. Схема магнитных потоков в трансформаторе при нагрузке 13 Магнитный поток трансформатора определяется значением питающего напряжения и практически не зависит от нагрузки. Поэтому результирующая МДС, создаваемая при нагрузке токами и должна оставаться такой же, как и при холостом ходе F 1 + F 2 = F 0 , (5) где F 1 = I 1 w 1 — МДС первичной обмотки при нагрузке F 2 = I 2 w 2 — МДС вторичной обмотки при нагрузке F 0 = I 0 w 1 — МДС первичной обмотки при холостом ходе. Уравнение (5) называется уравнением равновесия магнитодвижущих сил трансформатора. Еслив это выражение подставить его значения и немного преобразовать, то мы получим I 1 = I 0 – I 2 w 2 / w 1 , откуда следует, что увеличение тока во вторичной обмотке трансформаторавызывает автоматически увеличение тока в первичной обмотке. Поэтому при нагрузках, близких к номинальной, можно считать, что I 1 ≈ I 2 w 2 / Токи и проходя по обмоткам трансформатора, создают в них падения напряжения — активные и реактивные (индуктивные. Активные падения напряжения возникают в результате прохождения токов и по активным сопротивлениями обмоток. Реактивные падения напряжения обусловливаются действием магнитных потоков рассеяния Ф б1 и Ф б2 , создаваемых токами и I 2 . В отличие от основного потока Ф, который замыкается по сердечнику и сцеплен одновременно с обеими обмотками, магнитные потоки Ф б1 и Ф б2 сцеплены каждый только со своей собственной обмоткой и индуцируют в них ЭДС самоиндукции е L1 и е. Эти ЭДС, создают индуктивные сопротивления Хи Х 2 обмоток, в которых при прохождении токов и возникают падения напряжения В трансформаторах средней и большой мощности реактивное падение напряжения обычно в несколько раз превышает активное. Поэтому и активно-индуктивная нагрузка вызывает большее изменение напряжения, чем активная (изменение напряжения возрастает с уменьшением cos φ вцепи нагрузки. В трансформаторах малой мощности, наоборот, активное падение напряжения обычно больше реактивного и изменение напряжения уменьшается с увеличением cos φ. Обычно изменение напряжения ΔU при работе трансформатора под нагрузкой определяют при номинальном значении первичного напряжения ном и выражают в процентах 14 Величину ΔU % иногда называют относительной потерей напряжения в трансформаторе. В силовых и выпрямительных трансформаторах изменение напряжения при номинальном токе обычно составляет 2—6 % (в зависимости от со φ). Короткое замыкание. В паспорте трансформатора указывается результирующее падение напряжения в обмотках трансформатора при номинальном нагрузочном токе. Это падение напряжения называют напряжением короткого замыкания, и его можно определить опытным путем, если питать трансформатор с замкнутой накоротко вторичной обмоткой пониженным напряжением Копыт короткого замыкания. В этом случае напряжение U К будет равно такому напряжению при котором по обмоткам замкнутого накоротко трансформатора протекают номинальные токи. Напряжение короткого замыканияявляется весьма важным эксплуатационным показателем, его выражают в процентах от U 1ном Для трансформаторов средней мощности К = 57%, для мощных трансформаторов 6—12 %. Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальном напряжении, тов обеих обмотках возникают большие токи, превышающие номинальное значение враз. Такое замыкание является аварийными требует специальной защиты, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды. Установившийся ток короткого замыкания трансформатора в общем случае где ном — номинальный ток первичной обмотки. Для ограничения токов короткого замыкания мощные трансформаторы выполняют с повышенными значениями Кто есть с повышенным внутренним индуктивным сопротивлением обмоток. Характеристики сварочных трансформаторов Сварочные трансформаторы имеют крутопадающую внешнюю характеристику рис, так как она обеспечивает устойчивое горение электрической дуги. Кроме того, при электросварке режим короткого замыкания 15 является нормальным рабочим режимом и при крутопадающей характеристике ток К ном. Рис. 13. Внешняя характеристика сварочного трансформатора Для получения крутопадающей характеристики последовательно с вторичной обмоткой трансформатора включают реактор с большим индуктивным сопротивлением (риса. В некоторых конструкциях сварочных трансформаторов магнитопровод добавочного реактора совмещают с магнитопроводом трансформатора (рис. б. Регулирование тока электрической дуги осуществляется в таких трансформаторах двумя способами ступенчатым — путем изменения числа витков вторичной обмотки и плавным — путем изменения воздушного зазора d. При изменении воздушного зазора изменяется индуктивность реактора и, следовательно, наклон внешней характеристики трансформатора. Рис. Принципиальные схемы сварочных трансформаторов ас внешней индуктивностью (реактором б – с реактором на общем сердечнике 1- трансформатор 2 – реактор 16 4. Мощность, КПД и коэффициент мощности трансформатора Номинальная мощность. Номинальной мощностью трансформатора называется мощность, которую он может отдавать длительное время, не перегреваясь свыше допустимой температуры. Так как нагрев обмоток зависит от протекающего по ним тока, в паспорте трансформатора всегда указывают полную мощность S НОМ в вольт-амперах или киловольт-амперах. В зависимости от коэффициента мощности cos φ 2 , при котором работают потребители, от трансформатора можно получить большую или меньшую активную мощность. При cosφ2 = 1 мощность подключенных к нему потребителей может быть равна его номинальной мощности S НОМ . При cos φ 2 < 1 мощность потребителей не должна превышать величины НОМ φ2. В паспорте трансформаторов переменного тока, которые имеют несколько вторичных обмоток, указывают так называемую типовую мощность. Она равна полусумме номинальных мощностей всех обмоток трансформатора, то есть полусумме произведений наибольшего длительно допустимого в каждой обмотке тока на допустимое напряжение. Перегрузочная способность трансформатора определяется интенсивностью отвода тепла от его обмоток и надежностью их крепления. Коэффициент мощности Коэффициент мощности cos трансформатора определяется характером нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке. Приуменьшении нагрузки начинает сильно сказываться индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, и коэффициент мощности его снижается. При отсутствии нагрузки (при холостом ходе) трансформатор имеет очень низкий коэффициент мощности, что оказывает вредное влияние на работу источников переменного тока и электрических сетей. В этом случае трансформатор необходимо отключить от сети переменного тока. Потери мощности и КПД При передаче энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную возникают потери мощности (рис.15а)в проводах обмоток (электрические потери ΔPэ Л1 и Эли встали магнитопровода (магнитные потери ΔР М ). 17 Рис. 15. Диаграмма энергетического баланса в трансформаторе (аи зависимость его КПД от нагрузки (б) При холостом ходе трансформатор не передает электрическую энергию потребителю и потребляемая им мощность тратится в основном на компенсацию магнитных потерь мощности в магнитопроводе (в результате вихревых токов и гистерезиса. Их часто называют потерями холостого хода. При работе мощных трансформаторов магнитные потери составляют 0,3—0,5 % номинальной мощности. Тем не менее их стремятся максимально уменьшить. Объясняется это тем, что магнитные потери не зависят оттого, работает трансформатор вхолостую или под нагрузкой. Атак как общее время работы трансформатора обычно довольно велико, то суммарные годовые потери холостого хода значительны. При нагрузке к потерям холостого хода добавляются электрические потери в обмотках. Эти потери при номинальном токе численно равны мощности, потребляемой трансформатором при коротком замыкании, когда на его первичную обмотку подано напряжение Для мощных трансформаторов они обычно составляют 0,5—2 % номинальной мощности. Уменьшение суммарных потерь достигается соответствующим выбором площади сечения проводов обмоток трансформаторов снижение электрических потерь в проводах, применением электротехнической стали для изготовления магнитопровода (снижение потерь от перемагничивания) и расслоением магнитопровода наряд изолированных друг от друга листов (снижение потерь от вихревых токов. КПД трансформатора η = Р / Р = Р / (Р + ∆РЭЛ + ∆Р М ) где и Р потребляемая и отдаваемая мощности ΔР ЭЛ = ΔР ЭЛ1 + ΔР ЭЛ2 . 18 Благодаря отсутствию в трансформаторе вращающихся и трущихся деталей потери энергии в нем по сравнению с вращающимися машинами малы, а КПД высоки достигает в трансформаторах большой мощности 0,98—0,99. В трансформаторах малой мощности КПД составляет 0,5—0,7. При изменении нагрузки КПД трансформатора изменяется, так как меняются полезная мощность Р 2 и электрические потери ΔР эл в проводниках обмоток. Однако он сохраняет большое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки (рис. б. При значительных недогрузках КПД понижается, так как полезная мощность уменьшается, а магнитные потери ΔР М остаются неизменными. При перегрузках КПД также снижается, так как резко возрастают электрические потери ΔР эл (они пропорциональны квадрату тока нагрузки, в то время как полезная мощность — только току впервой степени. Максимальное значение КПД трансформатор имеет при такой нагрузке, когда электрические потери АР ЭЛ равны магнитным потерям ΔР М (см. рис. б. При проектировании трансформаторов стремятся, чтобы максимальное значение КПД достигалось при нагрузке 50—75 % номинальной это соответствует наиболее вероятной средней нагрузке работающего трансформатора, называемой экономической 5. Автотрансформатор и трехфазный трансформатор Автотрансформатор В случае, когда вторичное напряжение несильно отличается от первичного при коэффициенте трансформации, близком к единице, вместо обычного двух обмоточного трансформатора выгодно применять автотрансформатор. Автотрансформатор отличается от обычного тем, что его обмотка низшего напряжения составляет часть обмотки высшего напряжения (риса. Иными словами, он имеет вместо двух обмоток одну, разделенную на две части. Участок 1—3 образует обмотку высшего напряжения, участок 2—3 — обмотку низшего напряжения. По участку 2—3 протекает разность токов I 2 — I 1 . В автотрансформаторе потери мощности меньше, чем в двухобмоточном трансформаторе, при одинаковой номинальной мощности. Это объясняется тем, что в двух обмоточном трансформаторе вся мощность передается из первичной цепи во вторичную электромагнитным путем, а в автотрансформаторе электромагнитным путем передается только часть этой мощности S 2 (1 19 — 1/n) здесь n — коэффициент трансформации. Остальная часть S 2 /n передается непосредственно из первичной во вторичную цепь в результате электрической связи между ними, поэтому рассчитывать автотрансформатор на эту мощность не требуется. Чем ближе коэффициент трансформации к единице, тем меньшая часть мощности передается электромагнитным путем, следовательно, тем меньше масса и габаритные размеры автотрансформатора. Рис. Схемы автотрансформатора (аи трехфазного трансформатора (б) При больших коэффициентах трансформации выгоды от применения автотрансформаторов практически нет. Основным недостатком автотрансформаторов является то, что у них вторичная цепь электрически связана с первичной. И соответственно должна иметь одинаковую с ней изоляцию по отношению к земле. По требованиям охраны труда применение автотрансформаторов для связи цепей высокого и низкого напряжения недопустимо. Трехфазный трансформатор. Схемы соединения обмоток. Трехфазное напряжение обычно преобразуют трехстержневыми трехфазными трансформаторами (рис. б, в которых первичная и вторичная обмотки каждой фазы расположены на общем стержне. Только при очень больших мощностях (более 10 А в фазе) для этой цели применяют три однофазных трансформатора, так как для транспортирования и монтажа они более удобны. Первичная и вторичная обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены звездой (символ звездой с выведенной нулевой точкой (символ Υ-0 ) или треугольником (символ Δ). В трансформаторах, предназначенных для выпрямительных установок, вторичную обмотку иногда соединяют по схеме зигзаг с выведенной нулевой точкой. 20 Обычно обмотку высшего напряжения (ВН) соединяют по схеме звезда, что позволяет при заданном линейном напряжении иметь меньшее число витков в фазе и снижает требования к изоляции обмоток, так как фазное напряжение в схеме звезда враз меньше линейного. Зажимы обмоток высокого напряжении (ВН) начала и концы обозначаются соответственно буквами А X, В Y, С Z. Зажимы обмоток низшего напряжения (НН) начала и концы обозначаются соответственно буквами ах ус Присоединении обмоток трансформатора по схеме и отношение линейных напряжений U Л.ВН /U Л.НН при холостом ходе равно отношению w ВН / w НН = n. Присоединении по схеме Y/Δ отношение этих напряжений будет √3 n, при Δ / Υ – отношение этих напряжений будет √3 n, а при Υ/ Δ – n √3. В каждой фазе трехфазного трансформатора происходят те же процессы, что ив однофазном трансформаторе, поэтому в нем сохраняются те же соотношения между напряжениями, токами и числами витков обмоток. Группы соединений обмоток. В зависимости от схемы соединения первичной и вторичной обмоток, направления намотки и маркировки выводов трехфазного трансформатора, его линейные первичные и вторичные напряжения могут быть сдвинуты по фазе на различный угол. Трансформаторы, соединенные по схеме «звезда—звезда», имеют нулевую группу и обозначаются Y/Y-0 или При этом векторы линейных напряжений и Ú ab совпадают по фазе, то есть угол между ними равен нулю (риса. Трансформаторы, соединенные по схеме звезда — треугольник или треугольник — звезда, имеют одиннадцатую группу и обозначаются Y-/ Δ -11 или Δ/Y-11. В этом случае вектора обмотки НН отстает от вектора U АB обмотки ВН на угол 330° (рис. б. Однофазные трансформаторы также разделяются на группы, ноу них в зависимости от направления намотки и маркировки выводов напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе могут совпадать по фазе либо быть сдвинуты на 180°. В соответствии с этим они могут принадлежать к нулевой или шестой группе. Трехфазные трансформаторы, также как и однофазные, бывают двух- обмоточные и многообмоточные. 21 Рис. 17. Электрические схемы и векторные диаграммы напряжений трансформаторов с соединением обмоток по схемами Трансформаторы для вентильных преобразователей При использовании трансформаторов в вентильных преобразовательных установках в их вторичные обмотки включают электрические вентили, пропускающие ток только водном направлении. Характерной особенностью этих трансформаторов является неодновременная нагрузка отдельных фаз, связанная с поочередным отпиранием вентилей, включенных в соответствующие фазы. Поэтому в каждый момент времени трансформатор нагружен несимметрично. Это обстоятельство вызывает ряд неблагоприятных последствий, основными из которых являются наличие в кривых первичного I1 и вторичного I2 токов значительных высших гармоники дополнительное подмагничивание сердечника при некоторых схемах выпрямления. Схемы соединения обмоток. В рассматриваемых трансформаторах различают сетевую обмотку, подключаемую к питающей сети, и вентильную обмотку, к которой подключаются вентили преобразователя. В выпрямительных установках однофазного тока, применяемых на ЭПС, используют полупроводниковые вентили, включенные по мостовой схеме. В этих установках применяют двухобмоточные трансформаторы. В выпрямительных установках тяговых подстанций электрифицированных дорог постоянного тока используют трансформаторы, у которых вентильная обмотка включена по схеме две обратные звезды с уравнительным реактором риса Рис. 18. Схема трансформатора с соединением вентильной обмотки по схеме две обратные звезды с уравнительным реактором (аи векторная диаграмма напряжений б) В этой схеме три фазы аи с-0вентильной обмотки образуют прямую звезду, а другие три фазы a1-01; и расположенные на тех же стержнях трансформатора,—«обратную звезду. Обмотки фаз включены таким образом, что ЭДС, индуцируемые в фазах прямой звезды, сдвинуты на 180° относительно ЭДС соответствующих обмоток обратной звезды. В результате обеспечивается преобразование трехфазного тока в шестифазный, так как напряжения Ua, Uc1 , Ub, Ua1, и индуцируемые в фазах асс сдвинуты относительно друг друга на угол 60° (рис. б. Уравнительный реактор УР,включаемый между нулевыми точками 0 и двух, звезд, обеспечивает возможность параллельной работы двух соседних фаз на общую выпрямительную нагрузку при сдвиге индуцируемых в них ЭДС на угол 60°. Условия работы трансформатора. В трансформаторах для вентильных преобразователей по первичной и вторичной обмоткам протекают несинусоидальные токи, содержащие ряд высших гармоник. Происходит это последующим причинам вентили, включенные вцепи отдельных фаз вторичной обмотки, пропускают ток только в течение части периода 23 на стороне постоянного тока преобразователя обычно включают сглаживающий реактор значительной индуктивности, при котором токи в обмотках трансформатора имеют форму, близкую к прямоугольной. В общем случае токи и имеют разное действующее значение, вследствие чего габаритные размеры и масса таких трансформаторов всегда больше, чему трансформаторов той же номинальной выходной мощности, но работающих при синусоидальном токе. В качестве номинальной мощности трансформаторов для вентильных преобразователей принято считать не выходную мощность ном (отдаваемая мощность преобразователя при номинальной нагрузке на стороне постоянного тока, а типовую мощность Т = (ном + ном) / где ном ином номинальные мощности первичной и вторичной обмоток. Типовая мощность рассматриваемого трансформатора Т больше его выходной мощности ном. 6. Регулирование напряжения трансформаторов Ступенчатое регулирование. Напряжение, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора или автотрансформатора, можно регулировать, изменяя число витков первичной или вторичной обмоток. Регулирование напряжения при этом получается не плавным, а ступенчатым. Число витков вторичной обмотки трансформатора можно изменять сравнительно просто. Для этого вторичную обмотку разбивают наряд ступеней (секций а, б, в, г риса, к выводам которых А, Б, В и Г соответствующими переключателями 1,2,3 и 4 может подключаться приемник электрической энергии Вот три способа 1. Присоединяя приемник к тому или иному выводу трансформатора, можно изменять число включенных во вторичную обмотку витков (риса, то есть напряжение подводимое к приемнику. Такой способ называют регулированием на стороне низшего напряжения трансформатора 2. Регулирование напряжения путем изменения числа витков первичной обмотки (рис. б) практически можно осуществлять только в сравнительно узких пределах. Такой способ применяют на трансформаторах тяговых подстанций с целью компенсации 24 колебаний напряжения в питающей подстанции сети (напряжение этих трансформаторов может изменяться от +5 до -10 % номинального значения. Рис. 19. Схемы ступенчатого регулирования выходного напряжения трансформатора на стороне низшего напряжения (аи на стороне высшего напряжения (б ив. Напряжение U 2 , снимаемое с вторичной обмотки трансформатора Т, можно также регулировать, если изменять каким- либо способом напряжение подаваемое на его первичную обмотку. Для этой целина ЭПС используют регулировочный автотрансформатор AT рис. в. Такой способ называют регулированием на стороне высшего напряжения трансформатора на первичной стороне. Автотрансформатор может быть выполнен на отдельном магнитопроводе или в виде дополнительной обмотки на магнитопроводе основного трансформатора. Каждый из рассмотренных способов регулирования напряжения имеет свои преимущества и недостатки. 1. При регулировании на стороне низшего напряжения переключающие аппараты приходится рассчитывать на большие токи, что сильно усложняет их конструкцию. 2. При регулировании на стороне высшего напряжения удается значительно упростить конструкцию переключающих аппаратов, так как токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны их напряжениям. Однако масса и габаритные размеры трансформатора при этом возрастают, а его КПД и коэффициент мощности уменьшаются. Регулирование напряжения путем подмагничивания сердечника. Регулировать напряжение трансформатора можно также изменением магнитного потока, проходящего по отдельным его стержням, с помощью магнитных шунтов. Для этой цели можно 25 подмагничивать шунты постоянным током и менять, таким образом, их магнитное сопротивление для переменного потока, создаваемого первичной обмоткой. Трансформаторы с подмагничиванием сердечника применяют на некоторых электровозах переменного тока для питания цепей управления и заряда аккумуляторных батарей. Такой трансформатор имеет основной магнитопровод рис. аи два магнитных шунта отделенных друг от друга изолирующими прокладками. Первичная его обмотка состоит из двух катушек, соединенных параллельно. Каждая из них охватывает три стержня один из стержней основного магнитопровода и два стержня магнитных шунтов. Вторичная обмотка также выполнена из двух параллельно включенных катушек, намотанных на стержни основного магнитопровода. На стержнях магнитных шунтов расположена обмотка управления 5, состоящая из четырех катушек. Они соединены последовательно так, чтобы магнитные потоки, созданные каждой парой катушек одного магнитного шунта, складывались, а ЭДС е у , индуцируемые в них переменным магнитным потоком первичной обмотки, взаимно компенсировались (рис. б. Рис. Трансформатор с регулированием напряжения путем подмагничивания его сердечника постоянным током (аи схема включения его обмоток (б) Трансформатор работает следующим образом. При отсутствии постоянного тока в обмотке управления магнитный поток Ф 1 трансформатора, создаваемый первичной обмоткой равномерно распределяется между основным магнитопроводом и магнитными 26 шунтами (пропорционально площади их поперечных сечений. При этом во вторичной обмотке 1 индуцируется минимальное напряжение U 2 . При протекании по обмоткам управления постоянного тока у сердечники магнитных шунтов насыщаются и их магнитное сопротивление возрастает. При этом магнитный поток Ф 1 первичной обмотки вытесняется в основной магнитопровод и проходящий по нему поток Ф 2 увеличивается. Это приводит к увеличению напряжения U 2 , индуцируемого во вторичной обмотке. Когда сердечники магнитных шунтов будут полностью насыщены, магнитный поток Ф 2 в основном магнитопроводе будет максимальными с трансформатора снимается максимальное напряжение Таким образом, изменяя ток управления у, можно плавно регулировать вторичное напряжение. 27 Контрольные вопросы 1. Как устроен трансформатор и каков принцип его действия 2. Какие известны режимы работы трансформатора 3. Что называется внешней характеристикой трансформатора 4. Для чего нужны трансформаторы 5 . Что называется номинальной мощностью трансформатора ив каких единицах она измеряется 6 . Как подразделяются трансформаторы по конструктивным признаками по способу охлаждения 7 . Когда применяют автотрансформатор и как он работает 8 . Из каких частей состоит трехфазный трансформатор и как соединяются его обмотки 9 . Как регулируют выходное напряжение трансформатора 10. Что называется коэффициентом трансформации трансформатора и как его определить 11. Как соединяются обмотки трехфазных трансформаторов 12. Почему при увеличении нагрузки трансформатора увеличивается ток первичной обмотки Литература 1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. М Высшая школа, 2001. 2. Частоедов Л.А.Электротехника: Учебное пособие для студентов техникумов железнодорожного транспорта. М УМК МПС России, 2001. 3. Зорохович А.Е., Крылов С.С. Основы электротехники для локомотивных бригад. М Транспорт. 1987 4. Курулев А.П. и др. Теория электрических цепей. Минск. Высшая школа, 1999. |