Курс лекций по дисциплине мдк 01. 01Электрические машины и аппараты Часть 1 Поурочное планирование Тема Общая теория электрических машин Занятие 1 Общие сведения об электрических машинах и трансформаторах

• Название: Курс лекций по дисциплине мдк 01. 01Электрические машины и аппараты Часть 1 Поурочное планирование Тема Общая теория электрических машин Занятие 1 Общие сведения об электрических машинах и трансформаторах
• Дата: 24.02.2022
• Размер: 6.3 Mb.
• Имя файла: uchebnye_rekomenlatsii_po_eletricheskim_mashinam.doc
• Тип: Курс лекций; #371953
• страница: 4 из 9

Тема 5. Трансформаторы

Занятие 22. Принцип действия трансформаторов

22.1. Общие определения

Трансформатор представляет собой статический электромагнит­ный преобразователь с двумя или больше обмотками, предназначен­ный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Преобразова­ние энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем.

Трансформаторы широко применяют при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, уси­лительных, сигнализационных и других устройствах.
22.2. Использование трансформатора при передаче электроэнергии.

При передаче электрической энергии от электростанции к потребителям необходимо передавать как можно больше мощности, которая определяется выражением



Из формулы видно, что для повышения передаваемой мощности необходимо повышать величину тока и напряжения.

Однако повышение силы тока в линии обусловливает потери энергии в этой линии и расход цвет­ных металлов на ее устройство.

Если при одной и той же переда­ваемой мощности увеличить напряжение, то сила тока в такой же мере уменьшится, а следовательно, можно будет применить про­вода с меньшим поперечным сечением. Это сократит расход цвет­ных металлов при устройстве линии электропередачи и снизит потери энергии в ней.

Однако высокое напряжение нельзя подавать потребителю, так как при этом возникает опасность пробоя изоляции электрических аппаратов и поражения электротоком обслуживающего персонала. Поэтому на передающей подстанции с помощью повышающих трансформаторов напряжение в линии электропередач повышают. на приемной подстанции напряжение с помощью понижающих трансформаторов понижают до 380/220 Вольт.
22.3. Конструктивная схема трансформатора.

Конструктивная схема трансформатора (см.рис.22.1) имеет магнитопровод 3из электротехнической стали и две обмотки на магнитопроводе: первичную 1с числом витков ω₁и вторичную 2 с числом витков ω₂. Обмотки выполняют из медного провода.

Первичная обмотка трансформатора включается в сеть переменного напряжения U₁ , и в ней возникает ток I₁. Ко вторичной обмотке ω₂ подключается приемник электрической энергии.


Рис.22.1. Конструктивная схема трансформатора.

На рисунке:

1. 
   Первичная обмотка
   
2. 
   Вторичная обмотка
   
3. 
   Магнитопровод
   

Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать перемен­ный ток, который создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток.

Этот магнитный поток, пронизывая вит­ки вторичной обмотки, будет индуктировать в ней э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии, то под действием индуктируемой э. д. с. по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток .

Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную при напряже­нии, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вто­ричную сеть.

В целях улучшения магнитной связи между первичной и вто­ричной обмотками их помешают на стальной магнитопроводе. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода.

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотку более низкого напряжения — обмот­кой низшего напряжения (НН).

Обмотку, включенную в сеть источника электрической энергии, называют первичной;обмотку, от кото­рой энергия подается к приемнику-вторичной.

Обычно напряже­ния первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называют повыша­ющим, если же первичное напряжение больше вторичного — пони­жающим.

Любой трансформатор может быть использован и как по­вышающий и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие — для распределения электроэнергии между потре­бителями.
22.4. Коэффициент трансформации

Рассмотрим трансформатор с разомкнутой цепью вторичной обмотки, т. е. в режиме холостого хода.

При переменном токе в первичной обмотке создается переменный магнитный поток Ф , который замыкается по стальному сердечнику образует потокосцепление с обеими обмотками. Таким образом, в трансформаторе обмотки электрически между собой не связаны, а связаны переменным магнитным потоком.

В обеих обмотках наводится ЭДС:



Отношение ЭДС:



Отношение чисел витков обмоток трансформатора k называется к о э ф ф и ц и е н т о м, трансформации.

Отношение ЭДС при холостом ходе можно заменить отношением напряжений на зажимах обмоток, учитывая, что u_{1 ≈} e_{1 ,} u_{2 ≈} e₂
Занятие 23 . Устройство трансфор­маторов
23.1. Общее устройство трансформатора.
Конструктивная схема трансформатора представлена на рис.23.1.



Рис.23.1. Конструктивная схема трансформатора.

На рисунке обозначены:

1- магнитопровод

2 – каркасы катушек

3 – первичная обмотка

4 – вторичная обмотка

5 – вводы первичной обмотки

6 – выводы вторичной обмотки
Магнитопровод трансформатора набирается из отдельных листов трансформаторной стали, изолированных друг от друга слоем окиси. Такая конструкция магнитопровода уменьшает потери электрической энергии на нагрев стали вихревыми токами.
Обмотки трансформатора выполняются медным изолированным проводом, намотанным на каркас.

Первичная обмотка понижающего трансформатора имеет большее количество витков , чем вторичная. Провод первичной обмотки более тонкий, чем у вторичной. Кроме изоляции провода каждый слой обмотки также изолируется от соседнего слоя. Самый верхний слой провода покрывается специальной эмалью и запекается. Это обеспечивает не только изоляцию обмотки, но и надежную ее защиту от внешних механических воздействий и влаги.

Полезную мощность, на которую рассчитан трансформатор по условиям нагревания, называют номинальной.Таким образом, номинальной мощностью трансформатора называется мощность его вторичной обмотки при полной (номинальной) нагрузке.

Эта мощ­ность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольт-ампе­рах (ВА) или киловольт-амперах (кВА). Все прочие величины, характеризующие работу трансформатора в условиях, на которые он рассчитан, также называют номинальными.

Каждый трансформатор снабжается щитком из материале, не подверженного атмосферным влияниям. Этот щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номиналь­ные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбива­нием или другими способами, обеспечивающими видимость и дол­говечность знаков.

На щитке трансформатора указываются следую­щие данные :

1. Наименование организации, в систему которой входит завод-изготовитель.

2. Наименование и адрес или марка завода-изготовителя.

3. Год выпуска.

4. Заводской номер.

5. Обозначение типа.

6. Номер стандарта.

7.Номинальная мощность (кВА).

8. Напряжения номинальные и напряжения ответвлений обмо­ток (В или кВ).

9. Номинальные токи каждой обмотки (А).

10. Число фаз.

II. Частота тока (Гц).

12. Схема и группа соединения обмоток трансформатора.

13. Напряжение короткого замыкания (%).

14. Род установки (внутренняя или наружная).

15. Способ охлаждения.

16. Полная масса трансформатора (кг или т).

17. Масса масла (кг или т).

18. Масса активной части (кг или т).

Заводской номер трансформатора выбит на баке под щитком, на крышке около ввода ВН фазы А .

Условное обозначение трансформатора состоит из буквенном и цифровой частей. Буквы означают следующее:

Т — трехфазный трансформатор,

О—однофазный трансформатор,

М — естественное масляное охлаждение,

Д — масляное охлаждение с дутьем (искус­ственное воздушное и с естественной циркуляцией масла),

Ц—мас­ляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через во­дяной охладитель,

ДЦ—масляное с дутьем и принудительной цир­куляцией масла,

Г — грузоупорный трансформатор (указывается в конце),

Н (в конце после обозначения типа) —трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой,

Н (на втором мес­те) — заполнение негорючим жидким диэлектриком.

Первое число, стоящее после буквенного обозначения трансфор­матора, показывает номинальную мощность (кВ-А),

Второе чис­ло— номинальное напряжение обмотки ВН (кВ).
Например,

ТМ — 6300/35 означает трехфазный двухобмоточный трансфор­матор с естественным масляным охлаждением мощностью 6300 кВА и напряжением обмотки ВН 35 кВ.
ТЦТНГ — 63 000/220 означает трехфазный трехобмоточный трансформатор с принудительной циркуляцией масла, с регулированием напряже­ния под нагрузкой, грозоупорный, мощностью 63000 кВ-А и на­пряжением обмотки ВН 220 кВ.
Буква А в обозначении типа трансформатора означает авто­трансформатор.
23.2. Устройство магнитопроводов однофазных трансформаторов
Магнитопрсводы трансформаторов собирают из изолированных пластин или ленты высоколегированной стали. В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем одно­фазные трансформаторы подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные (кольцеобразные).

Стержневой магнитопровод (рис. 23.2)имеет два стержня, охватываемых обмотками.



Рис.23.2. Стержневой магнитопровод

На рисунке:

1 – ярмо

2 – стержни

3 – катушки обмоток

Часть магнитопровода, замыкающую магнитную цепь, называют ярмом.

На каждом стержне магнитопровода помещают катушку, состоя­щую из половинок первичной и вторичной обмоток. Такое располо­жение обмоток на магнитопроводе обеспечивает лучшую магнит­ную связь между ними, чем при размещении на различных стержнях, как это условно изображают на схемах. Половины каждой обмотки, помещенные на правом и левом стержнях магни­топровода, соединяются между собой последовательно так, чтобы их н. с. совпадали по направлению.

В трансформаторе броневого типа (рис. 23.3.)первичная и вторичная обмотки помещены на среднем стержне магнитопро­вода. Таким образом, в этом трансформаторе обмотки частично охватываются (бронируются) ярмом. Магнитный поток, пронизы­вающий стержень магнитопровода, разветвляется на две части. Поэтому ярмо имеет поперечное сечение, вдвое меньшее сечения

стержня. Броневой магнитопровод обладает рядом конструктивных достоинств — один комплект обмоток вместо двух при стержневом магнитопроводе, высокий коэффициент заполнения окна магнито­провода обмоточным проводом, частичная защита обмотки ярмом от механических повреждений.



Рис.23.3. Трансформатор броневого типа

На рисунке:

1 – магнитопровод.

2 – вторичная обмотка

3 – первичная обмотка

Ленточные разрезные сердечники из холоднокатаной стали могут быть также стержневыми (рис. 23.4, а) и броневыми (рис-23.4 б,).

При сборке трансформатора с ленточным сердечником магнитопровод разрезают для того, чтобы поместить обмотки на сердечнике, и затем верхнюю и нижнюю половины магнитопро­вода соединяют вместе.



Рис.23.4. Трансформаторы с ленточными сердечниками:

а) стержневого типа; б) броневого типа
Трансформаторы больших и средних мощностей выполняют стержневыми, так как в броневых трансформаторах обмотки ВН сложно изолировать от магнитопровода. Трансформаторы малой мощности чаще выполняют броневыми.
23.3. Сборка магнитопроводов
Магнитопроводы трансформаторов собирают встык (рис. 23.5)или внахлест (рис. 23.6.)из П-образных стальных пластин.

Пла­стины также могут иметь форму Г-образную, Ш-образную, прямо­угольную и др.


Рис.23.5. Сборка магнитопровода встык
При сборке встык сердечник состоит из двух час­тей, собранных из стальных пластин. После размещения обмоток на магнитопроводе обе части его скрепляют.


Рис.23.6. Сборка магнитопровода внахлест
При сборке внахлест пластины чередуются так, чтобы у лежащих друг на друге листах разрезы были с разных сторон сердечника. При этом один слой стальных листов (например, нечетный) укладывается так, как пока­зано на рисунке сплошной линией, а другой слой (четный)—пре­рывистой.

После сборки магнитопровода его стягивают болтами или шпиль­ками. Стяжные планки, болты и другое изолируют от тела магнито­провода электрокартоном или бумагой для того, чтобы предотвра­тить возможность образования короткозамкнутых витков вокруг магнитопровода или его части. Образование короткозамкнутых вит­ков приводит к аварии.
23.4. Устройство обмоток трансформаторов
Обмотки трансформаторов изготавливают из меди или алюми­ния. Для трансформаторов небольшой мощности, т. е. при неболь­ших токах до 25 А для воздушных и до 45 А для масляных трансформаторов), обмотки выполняют из изолированного провода круглого поперечного сечения.

При больших мощностях и токах обмотки изготавливают из проводников прямоугольного поперечного сечения.

По способу размещения на магнитопроводе обмотки трансфор­маторов могут быть концентрическими и дисковыми чередующими­ся.

Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров, разме­щаемых на магнитопроводе концентрически. Внутри (ближе к сер­дечнику) обычно размещают обмотку НН, требующую меньшей изоляции относительно магнитопровода, снаружи — обмотку ВН (рис. 23.7)



Рис.23.7. Размещение концентрических обмоток трансформатора.
В дисковых чередующихся обмотках катушки НИ и ВН, изготов­ленные в виде отдельных дисков, размещены на магнитопроводе в чередующемся порядке (рис. 23.8.) Вся обмотка подразделяется на симметричные группы, состоящие из одной или нескольких катушек ВН и расположенных по обе стороны от них двух или нескольких катушек НН.


Рис.23.8. Размещение дисковых чередующихся обмоток трансформатора
Чередующиеся обмотки на практике приме­няют только для специальных трансформаторов. При высоких на­пряжениях эти обмотки не применяют из-за сложности изоляции и большого количества промежутков между катушками НН и ВН.
Конструктивно концентрические обмотки выполняют цилиндри­ческими, катушечными, непрерывными, винтовыми и др.
а) Цилиндрические обмотки.
Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки наматывают из провода прямоугольного поперечного сечения в один или несколько параллельных проводов. В трехслойных (и при большем числе слоев) обмотках между •слоями оставляют вертикальный канал. Слой обмотки составляют витки, наматываемые вплотную друг к другу. Начало и конец двух-•слойнсн обмотки выводят из верхней ее части и располагают у верх­него ярма. Такие обмотки используются в качестве обмоток НН трансформаторов мощностью до 630 кВ-А.

Многослойные цилиндрические обмотки наматывают из прово­дов круглого сечения, размещаемых вдоль всего стержня в несколь­ко слоев, между которыми прокладывают изоляцию из кабельной •бумаги. Обычно такую обмотку выполняют из двух катушек, меж­ду которыми оставляют вертикальный охлаждающий канал. Много­слойные цилиндрические обмотки применяют в качестве обмоток ВН для трансформаторов мощностью до 630 кВ-А при напряже­ниях до 35 кВ. Цилиндрические обмотки просты в производстве, но их механическая прочность по отношению к осевым силам неве­лика (при намотке провода плашмя), так как сравнительно малы радиальные размеры обмоток.
б) Катушечная многослойная обмотка.
Она отлича­ется от многослойной цилиндрической тем, что разделена по высоте на отдельные катушки и поэтому сложнее в производстве. Между слоями катушки прокладывают кабельную или телефонную бумагу, а между отдельными катушками — шайбы из электрокартона. Меж­ду отдельными катушками (обычно через две) делают охлаждаю­щие каналы. Катушечные многослойные обмотки применяют в ка­честве обмоток ВН трансформаторов мощностью до 100 кВ-А и на­пряжением до 35 кВ.
в) Непрерывная обмотка.
Ее наматывают по спирали из провода прямоугольного поперечного сечения. Она состоит из нескольких десятков дисковых катушек, соединенных между. При изготовлении обмотки провод в каждой катушке укладывают плашмя по спирали и наматывают на изоляци­онный цилиндр или стальной шаблон. Между изоляционными ци­линдром и катушками обмотки, а также между отдельными катуш­ками имеются охлаждающие каналы. Каждая катушка состоит из нескольких витков, а каждый виток—из одного или нескольких параллельных проводов. При нескольких параллельных проводах намотку их производят с перекладкой (транспозицией). Непрерыв­ные обмотки, несмотря на сложность их изготовления, в настоящее время широко используют в трансформаторостроении благодаря их высокой механической прочности. Такие обмотки применяют в качестве обмоток высшего и низшего напряжения трансформато­ров мощностью более 1000 кВ-Л.
Занятие 24. Режимы работы трансформатора

Различают следующие режимы работы трансформатора:

• 
  Режим холостого хода
  
• 
  Рабочий режим
  
• 
  Режим короткого замыкания
  

24.1. Опыт холостого хода трансформатора
Холостым ходом трансформатораявляется такой предельный режим его работы, когда вторичная обмотка трансформатора разом­кнута и ток вторичной обмотки I₂ = 0. Опыт х. х. позволяет опреде­лить:

• 
  коэффициент трансформации,
  
• 
  ток х. х. трансформатора,
  
• 
  потери х. х. трансформатора
  
• 
  сопротивления х. х. трансформатора.
  

При опыте х. х. первичную обмотку транс­форматора включают в сеть переменного тока с напряжением U₁(рис. 24.1).



Рис.24.1. Схема опыта холостого хода трансформатора.
Под действием приложенного напряжения по первич­ной обмотке протекает ток

I₁ = Iо. равный току х. х., который состав­ляет 5—10% номинального.

Для измерения тока х. х., приложенного к первичной обмотке напряжении и потребляемой мощности в цепь первичной обмотки трансформатора, включены измерительные приборы (амперметр А, вольтметр V и ваттметр W).

Вторичная обмотка трансформато­ра замкнута на вольтметр, сопротивление которого очень велико, так что ток вторичной обмотки I₂ = 0

Ток х. х. возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнит­ный поток, который индуктирует э. д. с. как в первичной, так и во вторичной обмотках.

Действующие значения э. д. с. обмоток определяются по формулам:




Где: w₁, w₂ - числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;

Ф_max— амплитуда магнитного потока;

f— частота тока-
Так как во вторичной обмотке трансформатора тока нет и, сле­довательно, нет падения напряжения в сопротивлении этой обмот­ки, то э. д. с. E₂=U₂и определяется показанием вольтметра, вклю­ченного в эту обмотку.

В первичной обмотке протекает ток х. х., очень малый по срав­нению с номинальным, так что падение напряжения в сопротивле­нии первичной обмотки будет очень мало по сравнению с прило­женным напряжением.

Поэтому приложенное напряжение практи­чески уравновешивается э. д. с. первичной обмотки: U₁ = - E₁

Следовательно, э. д. с. первичной обмотки определяется показанием вольтметра, включенного в цепь первичной обмотки при опыте х. х.
24.2. Коэффициент трансформации
Коэффициентом трансформацииназывают отношение напря­жения обмотки ВН к напряжению обмотки НН при х. х.:
Для повышающего трансформатора:


Для трехфазного трансформатора различаются конструктивный и эксплуатационный коэффициенты трансформации.

а) Конструктив­ный коэффициент трансформации k_к определяет соотношение чисел витков обмоток ВН и НН и равен отношению фазных напряжений.
б) Эксплуатационный коэффициент трансформации k_э равен отношению линейных напряжений на стороне ВН и НН.
Если схемы соединения обмоток ВН и НН одинаковы (напри­мер, звезда — звезда или треугольник — треугольник), то отношение фазных и линейных напряжений также одинаковы, т. е. конструктивный и эксплуатационный коэффициенты трансформации равны (k_к = k_э).

Если же схемы соединения обмоток ВН и НН различны (звезда — треугольник или треугольник—звезда), то конструктив­ный и эксплуатационный коэффициенты трансформации отличают­ся в

При опыте х.х. помимо напряжений первичной и вторичной обмоток измеряются ток х. х.Iо и мощность Ро, потребляемая транс­форматором.
Ток х.х. в фазе обмотки трехфазного трансформа­тора Iо при соединении первичной обмотки в звезду равен измерен­ному току I (I₀=I),

при соединении первичной обмотки в тре­угольник—в 1,73 раза меньше измеренного ( ).

Мощность, потребляемая трансформатором при х. х., Р_о расхо­дуется на покрытие потерь в стали за счет гистерезиса и вихревых токов (Рс = Ро), так как потери в проводах первичной обмотки ничтожно малы.

При испытании трехфазного трансформатора в этих выражениях следует иметь в виду фазные значения напряже­ния и тока, а также мощность, отнесенную к одной фазе, (Ро — показания ваттметра).

Так как токи в фазах при х.х. трех­фазного трансформатора различны, то за значение тока х.х. ус­ловно принимают его среднее значение для трех фаз;

24.3. Рабочий режим трансформатора

При рабочем режиме трансформатора его вторичная обмотка замкнута на приемник электрической энергии и по вторичной обмотке протекает ток I₂ , а по первичной ток I₁



Рис. 24.2. Схема работы трансформатора при нагрузке.
При холостом ходе намагничивающая сила I₀w₁ создает основной магнитный поток

Ф_о = Ф _макс.

Если вторичную обмотку замкнуть на потребитель, то во вторичной обмотке потечет ток I₂, а в первичной ток I_1. Эти токи создают в обмотках намагничивающие силы: в первичной I₁w₁, во вторичной I₂w_2.
Поэтому уравнение равновесия намагничивающих сил имеет вид:


или

Где: - коэффициент трансформации

24.4. Режим короткого замыкания

Короткие замыкания в электрических установках возникают обычно вследствие каких-либо неисправностей в сетях (при меха­ническом повреждении изоляции, при ее электрическом пробое в результате перенапря­жении и др.) или при ошибочных действиях эксплуатационного персона­ла.

Для трансформатора к. з. представляет собой серьезную опасность, так как при этом возникают очень большие токи.

При коротком замыкании вторичной обмотки ее полное сопротивление становится равным нулю (z = 0) . Напряжение вторичной обмотки также становится равным нулю (U₂ = 0)

Уравнение равновесия э. д. с. первичной обмотки трансформато­ра при к.з. вторичной обмотки запишется в следующем виде:

или



Где: - полное сопротивление трансформатора при коротком замыкании.

Полное сопротивление трансформатора определяется по формуле:



Где: - активное сопротивление обмоток

- индуктивное сопротивление трансформатора
В обычных трансформаторах в режиме короткого замыкания имеет очень маленькую величину, поэтому ток короткого замыкания очень велик. Большой ток короткого замыкания, действуя продолжительное время, приводит к перегреву обмоток трансформатора, к выходу из строя изоляции обмоток и к пожару. Для исключения выхода из строя трансформаторов в них обязательно применяется защита, отключающая трансформатор при резком увеличении величины потребляемого тока.

Для сварочных трансформаторов режим короткого замыкания является рабочим режимом. Для того, чтобы получить возможность регулировки сварочного тока и не вывести из строя сварочный трансформатор используют метод изменения индуктивного сопротивления x_L. Подробно этот процесс описан в главе «Сварочный трансформатор».
24.5. Напряжение короткого замыкания.
Опыт к. з. производится при значительно пониженном напря­жении и является вторым предельным режимом работы трансфор­матора, который наряду с опытом х. х. позволяет определить пара­метры трансформатора при любой нагрузке.


Рис.24.3. Схема опыта короткого замыкания
При опыте к. з. вто­ричную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной подводят такое пониженное U_к при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи.

Это напряжение называют напряжением короткого замыкания,измеряется оно в

процентах от номинального:


Согласно ГОСТ напряжение к.з. = 5,5 - 10,5%.

Опыт к.з. позволяет определить напряжение U_к , потери в обмотках трансформатора Р_м и сопротивления к. з. трансформатора z_к, r_к и x_к.

При опыте к.з. полезная мощность трансформатора равна нулю, а потери в стали ничтожно малы, так как мал магнитный поток в сердечнике.

Поэтому мощность, потребляемая трансформатором при опыте к.з., расходуется на нагревание проводов обмоток:


Занятие 25. Коэффициент полезного действия трансформатора
25.1. Потери в трансформаторе

в соответствии с законом сохранения энергии потребляемая трансформатором мощность Р₁ больше мощности, отданной им в нагрузку Р₂, так как при работе трансформатора (так же, как и любого преобразователя энергии) часть преобразуемой им элек­трической энергии неизбежно теряется.

При работе трансформато­ра на какую-либо нагрузку из питающей сети помимо полезной мощности Р₂потребляется мощность, идущая на покрытие потерь в стали магнитопровода Р_с и в проводах обмоток (потери в меди) Р_м.

Потери в стали магнитопровода на гистерезис и на вихревые токи зависят от частоты тока питающей сети и от магнитной индук­ции. Так как при работе трансформатора частота тока сети и ам­плитуда магнитной индукции неизменны, то потери в стали постоянны, не за­висят от нагрузки трансформатора и равны потерям х.х.: P_c= Р_0. Эти потери определяются из опыта х. х. трансформатора.
25.2. Коэффициент полезного действия трансформатора.
Коэффициент полезного действия трансформаторапредставля­ет собой отношение полезной мощности, отдаваемой трансформато­ром в нагрузку, к мощности, потребляемой им из первичной сети:


или

Практически к.п.д. трансформато­ров очень высок.

• 
  для трансформаторов малых мощностей (до 1000 ВА) η = 85 - 95 % ;
  
• 
  для трансформаторов больших мощностей η = 95 - 99,5%.
  

При любой величине и характере нагрузки трансформатора его полезная мощность можно определить по формуле:


где β - коэффициент нагрузки трансформатора

Р_2ном— номиналь­ная мощность трансформатора.

- коэффициент мощности трансформатора

Коэффициент нагрузки трансформатора определяется как отношение тока первичной обмотки при данной нагрузке к номинальному току первичной обмотки при номинальной нагрузке, т.е.


- первичной обмотки при выбранной нагрузке;

- номинальный ток первичной обмотки;
Подведенная мощность определя­ется кок сумма полезной мощности трансформатора и мощности потерь:

Р₁=Р₂+ƩР = Р₂ + Р₀ + Р_М.
Потери в меди Р_м зависят от тока (от нагрузки) и являются потерями переменными.

Эти потери определяются по формуле


где — потери в меди при номинальном токе.

Проведя математические преобразования получаем формулу для определения коэффициента полезного действия трансформатора:

или
На рис. 25.1 построены зависимости η, Ро и Р_м от коэффици­ента нагрузки β, откуда видно, что зависимость имеет максимум.



Рис.25.1. Зависимость КПД и потерь трансформатора от коэффициента нагрузки.
Наибольшее значение коэффициента нагрузки β, при котором коэффициент полезного действия трансформатора η имеет максимальное значение определяется по формуле:


Следовательно, наибольший к. п. д. будет при такой нагрузке, при которой постоянные потери равны потерям переменным (Ро =Р_М).

Потери постоянные Р₀ — это потери в стали,

Потери переменные Р_м — это потери в меди обмоток трансформатора,

Потери в стали определяются из опыта х.х., потери в обмот­ках— из опыта к. з. Номинальная мощность трансформатора ука­зана на его щитке, в паспорте и каталоге. Задаваясь значениями β и cosφ₂, можно вычислить к. п. д. трансформатора при любой на­грузке, не подвергая его непосредственным испытаниям.

Занятие 26. Трехфазные трансформаторы
26.1. Общее устройство трехфазных трансформаторов

Трансформаторы, используемые в сетях промышленных предприятий называются силовыми.

Силовые трансформаторы в основном бывают трехфазными.

Мощность силового трансформатора измеряется в киловольтамперах. ( кВА ).

Промышленностью выпускаются силовые трансформаторы мощностью от 10 до 560кВА. На подстанциях к силовым трансформаторам от ЛЭП подводится напряжение 6 или 10 кВ. а снимается 0,4 или 0,23 кВ. которое подается потребителю.


Силовой трансформатор представлен на рисунке 26.1:



Рис.26.1. Трехфазный силовой трансформатор

На рисунке :

1. 
   бак с радиаторами
   
2. 
   крышка
   
3. 
   выводы высшего напряжения
   
4. 
   выводы низшего напряжения
   
5. 
   рукоятка переключателя числа витков обмотки высшего напряжения
   
6. 
   предохранительная труба
   
7. 
   указатель уровня масла
   
8. 
   расширитель
   
9. 
   транспортные катки
   

Бак предназначен для размещения в нем активной части ( магнитопровода с закрепленными на нем катушками высшего и низшего напряжения) ,погруженных в масло. Для увеличения поверхности охлаждения в бак вварены трубы радиатора. Бак закрывается крышкой на болтах.
Выводы высшего и низшего напряжения обеспечивают изоляцию вводных кабелей от корпуса трансформатора.
Переключатель витков обеспечивает ступенчатое изменение напряжения на выходе

трансформатора.
Расширитель вмещает до 10% масла и предназначен для сбора масла при его расширении при нагревании.
При ремонтах из бака извлекают выемную часть трансформатора (см.рис.26.2)



Рис.26.2. Выемная часть силового трехфазного трансформатора
Вместе с крышкой из бака трансформатора извлекается его активная часть.

Активная часть трансформатора состоит :

• 
  магнитопровод;
  
• 
  обмотки высшего напряжения ;
  
• 
  обмотки низшего напряжения ;
  

26.2. Магнитопроводы трехфазных трансформаторов

Магнитопровод ( сердечник ) состоит из стержней и ярма , образующих замкнутую

магнитную цепь.

Магнитопровод собран из листов электротехнической стали толщиной 0,35...0,5 мм. Листы изолированы друг от друга лаковой пленкой. Конструкция магнитопровода показана на рисунке 26.3:


Рис.26.2. Магнитопровод трехфазного трансформатора
На рисунке обозначены :

1 - стержень ;

2 - вертикальная стяжка ;

3 - стяжная шпилька ;

4 - верхнее ярмо ;

5 - нижнее ярмо ;
26.3. Обмотки трехфазных трансформаторов
Обмотки по назначению делятся на :

• 
  первичную ;
  
• 
  вторичную ;
  

Первичной называется обмотка, к которой подсоединяется источник энергии.

Вторичной называется обмотка , к которой подсоединяется потребитель.

Обмотка с высоким напряжением обозначается " ВН ", обмотка с низким напряжением обозначается "НН".

Обмотки выполняются из круглых или прямоугольных медных или алюминиевых проводов, изолированных пряжей, бумагой, эмалью или изоляционными деталями. Обмотки пропитывают лаком и сушат.
По конструкции различают два вида обмоток :

• 
  концентрические, располагающиеся одна внутри другой ;
  
• 
  чередующиеся , поставленные одна над другой в виде отдельных катушек вдоль оси стержня ;
  

Магнитопровод с обмотками называют активной частью трансформатора

Занятие 27 . Соединение обмоток трехфазных трансформаторов
27.1. Общие определения

Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполня­ются так же, как и однофазных.

Начала фаз обмоток ВН обозна­чены прописными латинскими буквами А, В и С; концы фаз этих обмоток — X, Yи Z. Если обмотка ВН имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначают 0.

Начала фаз обмоток НН обозначаются строчными латинскими буквами а, 6, с, концы фаз — х, у, z, вывод нулевой точки — 0.

Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены в звезду (рис. 27.1), когда концы всех трех фаз соединены между собой, образуя общую нейтральную (нулевую) точку, а свободные начала трех фаз подключены к трем проводам сети источника или приемника электрической энергии переменного тока.



Рис.27.1. Соединение обмоток звездой
При соедине­нии обмоток в треугольник (рис. 27.2, ) начало первой фазы соединяется с концом второй, начало второй фазы — с концом треть­ей, начало третьей фазы — с концом первой. Точки соединения начала одной фазы с концом другой подключены к проводам трех­фазной сети переменного тока.



Рис.27.2. Соединение обмоток треугольником
Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов в звезду и треугольник обозначаются соответственно знаками


Звезда Звезда с выводом нуля Треугольник
Рис.27.3. Обозначение соединений обмоток трансформатора

27.2.Группы трехфазных трансформаторов

До сих пор мы считали, что при построении векторной диаграммы ЭДС Е₁ и Е₂ совпадают по фазе. Но это соответствует действительности лишь при условии намотки первичной и вторичной обмоток в одном направлении, или одноименной маркировки их выводов (рис. 24.4, а).



Рис.27.4 Схемы включения однофазного трансформатора.

а) намотка обмоток в одном направлении

б) намотка обмоток в разных направлениях.

Если же в трансформаторе изменить направление намотки обмоток иди же переставить обозначение их выводов, то вектор ЭДС Е₂ окажется сдвинутым относительно вектора Е₁ на 180° (рис. 24.4, б).

Сдвиг фаз между ЭДС Е₁ и Е₂ принято выражать группой соединений. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0 до 360°, а кратность сдвига обычно составляет 30°, то для обозначения групп соединения выбирается ряд чисел от 1 до 12, в котором каждая единица соответствует углу сдвига 30°.

В основу этого положено сравнение относительного положения векторов Е₁ и Е₂ с положением минутной и часовой стрелок часов. Вектор обмотки В.Н. считается минутной стрелкой, установленной на цифре 12, а вектор Н.Н. - часовой стрелкой. По положению часовой стрелки относительно минутной определяют положение вектора ЭДС обмотки Н.Н. относительно обмотки В.Н. Так, на (рис. 27.4, а) соединение имеет группу 12, а на (рис. 27.4, б) - группу 6.
Таким образом, в однофазном трансформаторе имеется только две группы -12 и 6.

В 3-х фазном трансформаторе группу соединения определяют по углу сдвига фаз между линейными векторами ЭДС Е₁ и Е₂ .
В качестве примера рассмотрим схему Y / Y - 12 (рис. 27.5).

Р ис.27.5. Схема трехфазного трансформатора гр.12

Векторная диаграмма показывает, что сдвиг между E₁ и Е₂ равен нулю или 360°, т.е.

(360° / 30° - 12 группа).
Если же поменять начала и концы обмоток Н.Н., то будем иметь группу 6 (рис.27.6.).



Рис.27.6. Схема трехфазного трансформатора гр.6



Рис.27.7. Схема трехфазного трансформатора гр.11

Большой разнобой в схемах и группах соединений изготовляемых трансформаторов нежелателен.

Поэтому ГОСТ предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами соединений обмоток;

Y/Y₀-0, ∆/Y₀-l1, Y/∆-11 Y₀/∆-l1.

При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым — соединение обмотки НН, а индекс «0» указывает на то, что наружу выводится нулевая точка обмотки.

Занятие 28. Автотрансформаторы

28.1. Общие определения

Автотрансформаторы по принципу действия ничем не отличаются от обычных трансформаторов. Разница состоит в том, что автотрансформатор имеет одну обмотку, от которой сделаны выводы.

Рис.28.1. Внешний вид автотрансформатора


       Если автотрансформатор используется как понижающий, то вся обмотка рассчитывается на напряжение сети U₁, в которую нужно подключить автотрансформатор. Один вывод обмотки считается общим и как правило обозначается цифрой 0. Вторичные напряжения U₁,U₂,..U_n берутся от выводов обмотки 1,2,3,…,n относительно к общему выводу.
       Если автотрансформатор используется как повышающий, то часть обмотки рассчитывается под напряжение сети U₁, а вывод делается от всей обмотки, на которой образуется вторичное напряжение U₂>U₁.
28.2. Электрическая схема автотрансформатора
       На Рис.28.1.а показана электромагнитная схема понижающего автотрансформатора.

Обмотка w₁ включается в электросеть с напряжением U₁ . Нагрузка (потребители) подключается к части витков w_2-1, w_2-2 ,…., w_2-n обмотки, на которых вторичное напряжение U_2-1, U_2-2 ,…., U_2-n пропорциональные количеству витков w_2-1, w_2-2 ,…., w_2-n.

   Напряжения для понижающего трансформатора U₁> U_2-1; U₁> U_2-2;…. ;U₁> U_2-n, соответственно для витков w₁> w_2-1; w₁> w_2-2;….. ;w₁> w_2-n.

+

Рис.28.1.Электромагнитная схема автотрансформатора,

а) понижающий, 6) повышающий.

       На Рис.28.1.б показана электромагнитная схема повышающего автотрансформатора. Так как для первичной цепи (сетевой) , w₁< w₂, следует, что U₁2, или U₂ >U₁.

Это значит, что во вторичной цепи напряжение выше чем в первичной цепи.
       Автотрансформаторы проще по конструкции. Имеют стоимость ниже, чем трансформаторы, так как на их изготовление расходуется меньше медного провода и меньше трудозатрат при изготовлении обмоток.

Но есть существенный недостаток. Первичные цепи и вторичные цепи непосредственно имеют металлическую связь. Эта конструктивная особенность, во вторичных цепях, поддерживает потенциал первичной цепи, что во многих случаях, из-за требований безопасности и надежности, недопустимо.

По этой причине автотрансформаторы не получили широкого распространения, особенно в электронной отрасли производства.

Занятие 29. Сварочные трансформаторы.

29.1. Общие определения.

Сварочный трансформатор предназначен для электрической сварки металлических деталей.

Особенностью работы этих трансформаторов является прерывистый режим работы с резкими переходами от холостого хода к короткому замыканию.

Для ограничения токов короткого замыкания при соприкосновении электродов сварочные трансформаторы строятся с большим индуктивным сопротивлением обмоток.

Рис.29.1. Общий вид сварочного трансформатора


Рис.29.2. Схема устройства сварочного трансформатора

На рисунке обозначены:

1 - первичная неподвижная катушка

2 - вторичная подвижная катушка

3 - подвижная траверса

4 - магнитопровод

5 - ходовой винт

6 - рукоятка

7 - электрод

8 - металлическая площадка для детали



Рис.29.3. Сварочный трансформатор со снятым кожухом

1 — сетевые зажимы для проводов; 2 — сердечник (магнитопровод); 3 — рукоятка регулирования тока; 4 — зажимы для подсоединения сварочных проводов; 5 — ходовой винт; 6 — катушка вторичной обмотки; 7 — катушка первичной обмотки; 8 — компенсирующий конденсатор

Катушки первичной обмотки сварочного трансформатора неподвижные и закреплены у нижнего ярма, катушки вторичной обмотки подвижные. Величину сварочного тока регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками.


Рис.29.4. Электрическая схема сварочного трансформатора
Наибольшая величина сварочного тока достигается при сближении катушек, наименьшая — при удалении. С ходовым винтом 5 связан указатель примерной величины сварочного тока. Точность показаний шкалы составляет 7,5 % от значения максимального тока. Отклонения величины тока зависят от подводимого напряжения и длины сварочной дуги. Для более точного замера сварочного тока должен применяться амперметр.

При повороте рукоятки 3 трансформатора по часовой стрелке катушки обмоток 6 и 7 сближаются, вследствие чего магнитное рассеяние и вызываемое им индуктивное сопротивление обмоток уменьшаются, а величина сварочного тока увеличивается. При повороте рукоятки против часовой стрелки катушки вторичной обмотки удаляются от катушек первичной обмотки, магнитное рассеяние увеличивается и величина сварочного тока уменьшается.
Трансформаторы снабжены емкостными фильтрами, предназначенными для снижения помех радиоприему, создаваемых при сварке
Занятие 30. Контрольная работа ЭМ.У30