ТОЭ ответы на вопросы. Как устроен трансформатор

• Название: Как устроен трансформатор
• Анкор: ТОЭ ответы на вопросы
• Дата: 26.04.2023
• Размер: 373.96 Kb.
• Имя файла: otvety_na_voprosy_TOE.docx
• Тип: Документы; #1090853

1. 
   Как устроен трансформатор?
   

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством магнитного потока электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте. Рис 1.



Рис 1. Электромагнитная схема трансформатора и условные графические обозначения трансформатора

На замкнутом магнитопроводе, набранном из листов электротехнической стали, расположены две обмотки. Первичная обмотка с числом витков W_x подключается к источнику электрической энергии с напряжением U. Вторичная обмотка с числом витков W₂ подключается к нагрузке.

2. 
   От чего зависят ЭДС обмоток трансформатора и каково их назначение?
   

Под действием подведённого переменного напряжения U₁ в первичной обмотке возникает ток i₁ и появляется изменяющийся магнитный поток Ф. Этот поток индуцирует ЭДС е₁ и е₂ в обмотках трансформатора:

ЭДС е₁ уравновешивает основную часть напряжения источника U₁, ЭДС е₂ создает напряжение U₂ на выходных зажимах трансформатора.

3. 
   В каких случаях трансформатор называют повышающим и в каком – понижающим?
   

Понижающий трансформатор – трансформатор, который уменьшает напряжение (К>1).
Повышающий трансформатор – трансформатор, который увеличивает напряжение (К<1).

4. 
   Что называют коэффициентом трансформации?
   

Коэффициент трансформации – отношение действующих напряжений на концах первичной и вторичной обмоток при разомкнутой цепи вторичной обмотках (холостом ходе трансформатора). K=W₁/W₂=e₁/e₂.

5. 
   Какие вы знаете номинальные параметры трансформатора и что они определяют?
   

Номинальным называется режим работы трансформатора, для которого он предназначен заводом–изготовителем. Условиями, определяющими номинальный режим работы, являются:

– номинальная мощность, S_ном, ВА;

– номинальное напряжение, U_ном, В;

– номинальный ток, I_ном, А;

– напряжение короткого замыкания, U_к.з;

– ток холостого хода, I_х.х.;

– потери холостого хода, P_х.х;

– потери короткого замыкания, P_к.з..

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в паспорте значение полной мощности, на которую трансформатор может быть нагружен непрерывно в номинальных условиях установки и охлаждающей среды при номинальной частоте и напряжении.

Если обмотки трансформатора имеют разные мощности, то за номинальную принимают наибольшую (обычно ВН). За номинальную мощность АТ принимается номинальная мощность сторон, имеющих автотрансформаторную связь. Ее называют "проходной" мощностью.

Номинальное напряжение обмоток – это напряжение первичной и вторичных обмоток при холостом ходе (линейные – для 3–х фазных или – для однофазных трансформаторов Номинальным коэффициентом трансформации для 2–х обмоточных трансформаторов называют



Для 3–х обмоточных трансформаторов определяют коэффициент трансформации каждой пары обмоток.

Номинальными токами обмоток трансформатора называют токи, определяемые по их номинальным мощностям и номинальным напряжениям. Под номинальной нагрузкой понимают нагрузку, равную номинальному току.

Напряжение короткого замыкания ( U_к.з ) – это напряжение в процентах от номинального, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора в замкнутой накоротко другой обмотке ток равен номинальному. Оно характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора. Для 3–х обмоточных трансформаторов и АТ приводится U_к.з для каждой пары обмоток (при разомкнутой третьей).

Ток холостого хода I_х.х. – характеризует активные и реактивные потери в стали и выражается в процентах от номинального тока трансформатора.

Потери холостого хода P_х.х и короткого замыкания P_к.з. определяют экономичность работы трансформатора. Они характеризуют потери в стали (на вихревые токи и гистерезис) и потери в обмотках при протекании по ним токов нагрузки.

6. 
   Как определить номинальные токи обмоток трансформатора, если известна номинальная мощность трансформатора?
   

Номинальная мощность двухобмоточного трансформатора – это номинальная мощность каждой из обмоток трансформатора.

Уравнение номинальной мощности:

S_H=U₁ * I₁ S_H=U₂ * I₂

I₁ = S_H/U₁ I₂ = S_H/U₂

7. 
   Что называют внешней характеристикой трансформатора и как ее получить?
   

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на выводах трансформатора от тока, протекающего через нагрузку, подключенную к этим выводам, т.е. зависимость U₂=f(I₂) при U₁=const. При изменении нагрузки (тока I₂) вторичное напряжение трансформатора изменяется. Это объясняется изменением падения напряжения на сопротивлении вторичной обмотки I₂'z₂ и изменением ЭДС E₂'=E₁ за счет изменения падения напряжения на сопротивлении первичной обмотки.

Уравнения равновесия ЭДС и напряжений принимают вид:

U₁= –E₁ + I₁Z₁, U₂=E₂ – I₂Z₂

Значение нагрузки в трансформаторах определяют коэффициентом нагрузки:

K_н=I₂/I_2ном ≈ I₁/I_1ном;

Характер нагрузки – углом сдвига по фазе вторичных напряжения и тока.

На практике часто пользуются формулой

U₂= U₂₀(1 – Δu/100),

Δu=K_н(u_каcosφ₂ + u_крsinφ₂)

u_ка= 100% I_1ном (R₁ – R₂)/U_1ном

u_ка= 100% I_1ном (X₁ – X₂)/U_1ном

8. 
   Как найти процентное изменение вторичного напряжения трансформатора для заданной нагрузки?
   

Изменением вторичного напряжения называется алгебраическая разность значений вторичного напряжения при Uх.х. и нагрузке в процентах от напряжения при Uх.х:

9. 
   Какие потери имеются в трансформаторе, от чего они зависят и как определяются?
   

В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Потери в трансформаторе разделяются на электрические и магнитные.

Электрические потери.

Обусловлены нагревом обмоток трансформаторов при прохождении по этим обмоткам электрического тока. Мощность электрических потерь Рэ пропорциональна квадрату тока и определяется суммой электрических потерь в первичной Рэ1 и во вторичной Рэ2 обмотках:

Рэ = mI₁² r₁+ m(I₂)²r

Для изготовленного трансформатора потери определяют опытным путем, измерив мощность к.з. при номинальных токах в обмотках Рк.ном

Pэ=β2Pk.ном,

где Р — коэффициент нагрузки

Электрические потери называют переменными, так как их величина зависит от нагрузки трансформатора.
Магнитные потери.

Происходят главным образом в магнитопроводе трансформатора. Причина этих потерь – систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем.

Это перемагничивание вызывает в магнитопроводе два вида магнитных потерь: потери от гистерезиса Рг, связанные с затратой энергии на уничтожение остаточного магнетизма в ферромагнитном материале магнитопровода, и потери от вихревых токов Рв.т, наводимых переменным магнитным полем в пластинах магнитопровода:

PМ=Pг+Pв.т

С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора выполняют из магнитно-мягкого ферромагнитного материала – тонколистовой электротехнической стали. При этом магнитопровод делают шихтованным в виде пакетов из тонких пластин (полос), изолированных с двух сторон тонкой пленкой лака.

Магнитные потери от гистерезиса прямо пропорциональны частоте перемагничивания магнитопровода, т. е. частоте переменного тока (Рг = f), а магнитные потери от вихревых токов пропорциональны квадрату этой частоты (Pв.т ≡ f₂).

Суммарные магнитные потери принято считать пропорциональными частоте тока степени 1,3, т. е. Рм = f_1,3. Величина магнитных потерь зависит также и от магнитной индукции в стержнях и ярмах магнитопровода (Рм = В₂) При неизменном первичном напряжении (U₁ = const) магнитные потери постоянны, т.е. не зависят от нагрузки трансформатора.

10. 
    Для чего магнитопровод трансформатора набирается из листов электротехнической стали и какой толщины эти листы?
    

Сердечник трансформатора набирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм,изолированных между собой лаком или бумагой для уменьшения потерь от вихревых токов, что повышает КПД и снижает нагрев. Толщина слоя изоляции 0,04—0,06 мм.

11. 
    Какие вы знаете схемы замещения трансформатора и как определяются их параметры?
    

Параметры схем замещения определяются по данным опыта холостого хода и опыта короткого замыкания:

Для Г-образной схемы:

Для Т-образной схемы упрощенно принимают:

12. 
    Как проводится опыт холостого хода? Какие параметры этого опыта указываются в паспорте трансформатора?
    

Опыт холостого хода подразумевает подачу напряжения на первичную обмотку при отсутствии нагрузки. При помощи подключенных измерительных приборов измеряются электрические параметры конструкции.

Для проведения опыта холостого хода первичную обмотку включают в сеть последовательно с прибором для измерения тока – амперметром. Параллельно зажимам подключается вольтметр.


При проведении опыта холостого хода появляется возможность определить следующие характеристики агрегата:

• 
  коэффициент трансформации;
  
• 
  мощность потерь в стали;
  
• 
  параметры намагничивающей ветви в замещающей схеме.
  

К паспортным данным трансформатора относятся следующие величины:

• 
  номинальное первичное напряжение. U_1ном;
  
• 
  напряжение холостого хода вторичной обмотки. U_2x;
  
• 
  номинальная полная мощность. Sном;
  
• 
  напряжение короткого замыкания. Uк% выражаемое в процентах;
  
• 
  мощность потерь холостого хода Pх
  
• 
  ток первичной обмотки при холостом ходе трансформатора.
  

13. 
    Как проводится опыт короткого замыкания? Какие параметры этого опыта указываются в паспорте трансформатора?
    

Как видно на схеме в цепь первичной обмотки трансформатора включены вольтметр PV1, амперметр РА1 и ваттметр PW1, а вторичная обмотка замкнута накоротко. Для снятия характеристик трансформатора в этом режиме на первичную обмотку трансформатора подают такое напряжение U_КЗ, при котором ток I_КЗ в обмотке соответствовал номинальному току. После того как трансформатор прогреется в течении нескольких минут снимают показания с приборов.

Для построения графической характеристики короткого замыкания снимают параметры при изменении напряжения на первичной обмотке от 30 до 110 % U_КЗ.

При проведении опыта короткого замыкания определяют следующие параметры трансформатора:

- процентное отношение напряжения короткого замыкания U_КЗ%



где U_КЗ – «нормальное» напряжение короткого замыкания,

U_Н – номинальное напряжение первичной обмотки.

- активное сопротивление обмоток трансформатора R_К



где Р_КЗ – мощность, снимаемая с ваттметра PW1,

I_КЗ – ток короткого замыкания, снимаемая с амперметра РА1.

- полное сопротивление обмоток трансформатора Z_K



где U_КЗ – «нормальное» напряжение короткого замыкания, снимаемое с вольтметра PV1.

— реактивное сопротивление обмоток трансформатора Х_К



— коэффициент мощности короткого замыкания cos φ_КЗ



Мощность, подводимая к трансформатору при проведении опыта короткого замыкания для силовых трансформаторов, составляет 1–4 % от номинальной мощности трансформатора. При этом, чем больше номинальная мощность трансформатора, тем меньше мощность при проведении опыта короткого замыкания, то есть меньше потери в обмотках.

К паспортным данным трансформатора относятся следующие величины:

• 
  напряжение короткого замыкания Uк % выражаемое в процентах;
  
• 
  мощность потерь холостого хода Рхи короткого замыкания Рк;
  

14. 
    Где на практике учитывается величина напряжения короткого замыкания?
    

Напряжение короткого замыкания определяет падение напряжения в трансформаторе, его внешнюю характеристику и ток короткого замыкания. Оно учитывается также при подборе трансформатора для параллельной работы.

15. 
    Чем конструктивно отличается автотрансформаторы от трансформаторов обычной конструкции?
    

Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство, выполненное из двух или более индуктивно взаимосвязанных обмоток, намотанных на магнитопроводе и предназначенные для трансформирования за счет электромагнитной индукции переменного напряжения одной величины в другую (или сразу несколько) напряжений с сохранением векторов и частоты.

Главной особенностью трансформатора является то, что в нем первичная и вторичная обмотки гальванически развязаны (то есть, нет непосредственного электрического контакта).

Автотрансформатор называется трансформатор с одной только обмоткой.

В случае понижения напряжения первичное напряжение подводится ко всей обмотке, а вторичное берется только от некоторой части ее. В случае повышения напряжения первичное напряжение подводится к части обмотки, а вторичное берется от всей обмотки. Для трехфазного тока применяются трехфазные автотрансформаторы.

Обычный трансформатор Автотрансформатор