лекции. Лекции Общая электротехника. Лекции по дисциплине Общая электротехника для студентов специальностей

• Название: Лекции по дисциплине Общая электротехника для студентов специальностей
• Анкор: лекции
• Дата: 17.04.2022
• Размер: 4.27 Mb.
• Имя файла: Лекции Общая электротехника.docx
• Тип: Лекции; #480717
• страница: 6 из 11

Раздел 4. Электрические машины и электромагнитные устройства. Основы электроники и электрические измерения.
Лекция 12. Трансформаторы
1) Устройство и принцип действия однофазного трансформатора

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

^{Обычно приемники электроэнергии расположены на некотором расстоянии от электростанций. Иногда эти расстояния измеряются сотнями и тысячами километров. Генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию напряжением 1020 кВ. Энергия большой мощности при небольшом значении напряжения может быть передана только при большом значении тока. Для этого требуются провода больших сечений, иначе потери мощности Pn  3I2R0L (R0  сопротивление 1 км линии передачи, Ом/км; L  длина линии, км) будут большими. Чем больше мощность и длина линии передачи, тем больше потери мощности. При некоторых значениях S и L передача электроэнергии становится экономически невыгодной.}

Если ту же самую мощность передавать при более высоком напряжении, то уменьшится. Такое изменение напряжения при практически неизменной передаваемой мощности осуществляется с помощью трансформатора. Трансформаторы могут повышать напряжение генераторов электростанций до 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.

На местах потребления электроэнергии напряжение должно быть понижено до такого уровня, которое является номинальным для электроприемников (220, 380 В и т. д.). Для этой цели также используют трансформаторы.

Первые идеи создания трансформатора принадлежали талантливому русскому изобретателю П. Н. Яблочкову (1878). Быстрое развитие трансформаторостроения началось тогда, когда М. О. Доливо-Добровольским была разработана трехфазная система тока (18891890). Им же была предложена конструкция трехфазного трансформатора.

Трансформаторы применяются в установках электросварки, в радио- и телеустановках, в системах автоматического управления, связи и др. В этих случаях трансформаторы преобразуют напряжение одного уровня в напряжение другого уровня, которое требуется для питания данного элемента установки и отличается от напряжения, источника питания.

Область применения трансформаторов очень широка, чем и объясняются их конструктивное разнообразие и большой диапазон мощностей (от долей вольт-ампер до сотен мегавольт-ампер).

Принцип действия трансформатора

Трансформатор (рис. 1) состоит из стального магнитопровода, на который намотаны обмотки. Обмоток может быть две (двухобмоточный трансформатор), три (трехобмоточный) и т. д. К одной из обмоток подводят напряжение u₁ от источника питания. Эта обмотка называется первичной и имеет ₁ витков. Другая обмотка, имеющая ₂ витков, называется вторичной. Начала обмоток обозначают A и a, концы  X и x.



Рис. 1. Электромагнитная схема трансформатора (а) и его условное изображение на электрических схемах (б, в)

Под действием переменного напряжения u₁ по виткам первичной обмотки протекает переменный ток i, создающий переменную магнитодвижущую силу iw_l, которая, в свою очередь, создает переменный основной магнитный поток Ф,замыкающийся по стальному магнитопроводу. Применение магнитопровода с большой магнитной проводимостью способствует увеличению магнитного потока и усилению электромагнитной связи между обмотками. Замыкаясь, магнитный поток Ф оказывается сцепленным как с первичной, так и со вторичной обмотками.

При синусоидальном первичном напряжении магнитный поток также будет синусоидальным: Ф  Ф_msint (здесь и далее   угловая частота синусоидального напряжения, а ₁₂  количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора). Магнитный поток индуцирует в первичной обмотке э. д. с. самоиндукции, пропорцианальную числу витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

(1)

где Е_1m  ₁Ф_m  амплитуда первичной э. д. с.

Как видно из формулы (14.1), э. д. с. первичной обмотки отстает по фазе от магнитного потока на угол /2.

Синусоидальный магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой, индуцирует в ней э. д. с. взаимоиндукции

(2)

где Е_2m  ₂Ф_m  амплитуда вторичной э. д. с.

Сравнивая (2) с (1), видим, что вторичная э. д. с. совпадает по фазе с первичной э. д. с., т. е. также отстает по фазе от магнитного потока на угол /2. Этого и следовало ожидать, так как обе э. д. с. индуцируются одним и тем же магнитным потоком. Действующие значения первичной и вторичной э. д.c.

Так как частота э. д. с. одинакова и индуцируются они одним и тем же магнитным потоком, то первичная э. д. с. отличается от вторичной только в том случае, если число витков ₁и ₂обмоток неодинаково. Чем больше число витков обмотки, тем большая э. д. с. в ней индуцируется.



Отношение первичной э. д. с. к вторичной называется коэффициентом трансформации трансформатора и равно отношению числа витков обмоток. Коэффициент трансформации может быть как больше, так и меньше единицы.

Если необходимо повысить напряжение источника питания, то число витков вторичной обмотки делают больше числа витков первичной обмотки (₁  ₂). Такой трансформатор называется повышающим. Если это напряжение надо понизить, то ₂  ₁. В этом случае трансформатор будет понижающим. Если требуется несколько различных значений вторичного напряжения, то на тот же магнитопровод наматывают несколько вторичных обмоток с различным числом витков.

Таким образом, при подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного тока на зажимах вторичной обмотки индуцируется переменная э. д. с. Е₂ и вторичная обмотка становится источником питания, к которой можно присоединить какой-либо электроприемник.

Устройство трансформаторов

Магнитопровод трансформаторов изготовляют из стальных листов толщиной 0,350,5 мм. В настоящее время применяют два вида специальной электротехнической стали: горячекатаную сталь с высоким содержанием кремния или холоднокатаную сталь. Последняя имеет лучшие магнитные характеристики в направлении прокатки.

Стальные листы изолированы друг от друга бумажной, лаковой изоляцией (толщиной 0,040,6 мм) или окалиной, что позволяет уменьшить потери мощности в магнитопроводе за счет того, что вихревые токи замыкаются в плоскости поперечного сечения отдельного листа (рис. 14.2). Чем меньше толщина листа, тем меньше сечение проводника, по которому протекает вихревой ток I_в, и тем больше его сопротивление. В результате вихревой ток и потери мощности на нагрев магнитопровода уменьшаются.



Рис. 2. Вихревые токи в магнитопроводе из стальных листов

По типу или конфигурации магнитопровода трансформаторы подразделяют на стержневые и броневые. В стержневых трансформаторах обмотки, насаженные на стержень магнитопровода, охватывают его (рис. 3, а).

В броневых трансформаторах магнитопровод частично охватывает обмотки и как бы «бронирует» их (рис. 3, б). Горизонтальные части магнитопровода, не охваченные обмотками, называются нижним и верхним ярмом.


Рис. 3. Типы однофазных трансформаторов: а - стержневой; б - броневой; 1 - стержень, 2 - ярмо, 3 - обмотки

Трансформаторы большой и средней мощности обычно изготовляют стержневыми, так как они проще по конструкции, имеют лучшие условия для охлаждения обмоток, что особенно важно в мощных трансформаторах, имеющих большие габариты. Магнитопровод таких трансформаторов набирается из отдельных пластин прямоугольной формы (рис. 4, а). Трансформаторы малой мощности могут иметь магнитопровод, собранный из пластин, выполненных в форме буквы Ш, и прямоугольных полос (рис. 4, б).



Рис. 4. Схемы сборки магнитопроводов трансформаторов:
а - из отдельных пластин прямоугольной формы; б - из пластин в форме буквы «Ш» и прямоугольных полос

Для уменьшения магнитного сопротивления их набирают так, чтобы стыки пластин в двух соседних слоях были в разных местах. Аналогично выполняют магнитопроводы с двумя стержнями.

Стержни магнитопровода имеют квадратное или ступенчатое поперечное сечение (рис. 5), что позволяет при заданном значении магнитного потока или мощности уменьшить габаритные размеры обмотки, а значит, и всего трансформатора. Ярмо обычно имеет квадратное сечение.



Риc. 5. Поперечные сечения стержней трансформаторов:
а - квадратное, б - ступенчатое

Магнитопровод броневого типа применяется для сухих трансформаторов малой мощности. Наружные броневые стержни этого магнитопровода частично защищают обмотки трансформатора от механических повреждений.

Магнитопроводы стержневых и броневых трансформаторов малой мощности можно навивать из узкой ленты электротехнической стали (рис. 14.6).



Рис. 14.6. Ленточные магнитопроводы: а - стержневой; б - броневой; в - кольцевой

Это позволяет уменьшить воздушные зазоры в магнитопроводе и снизить магнитное сопротивление, а следовательно, и ток холостого хода. В большинстве случаев ленточные магнитопроводы разрезают, чтобы на них легче было посадить заранее намотанные обмотки. Затем половинки магнитопроводов соединяют.

В трансформаторах, работающих при высокой частоте, магнитопроводы изготовляют из порошковых материалов (пермаллой, ферриты).

Обмотки трансформаторов обычно выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Для лучшей магнитной связи между обмотками их стремятся расположить как можно ближе друг к другу. Показанное на рис. 1, а расположение обмоток на разных стержнях удобно для анализа принципа действия трансформатора. В действительности же обмотки (первичную и вторичную) располагают на одних и тех же стержнях, разделив каждую из них пополам (см. рис. 3, а). Половинки обмоток соединяют последовательно или параллельно. Использование двух стержней позволяет приблизить обмотки к ним и тем самым при заданном числе витков уменьшить средний радиус обмоток и расход проводов. Обмотки изолируют как от стержня и ярма магнитопровода, так и друг от друга. В качестве изоляции применяют электротехнический картон, специальную бумагу или ткань, пропитанную лаком.

По расположению обмоток относительно друг друга различают концентрические, изготовленные в виде цилиндров (см. рис. 3), и чередующиеся, когда каждая из обмоток (1, 2) состоит из нескольких частей (секций) в виде дисковых катушек, расположенных друг за другом по высоте стержня (рис. 7).



Рис. 7. Чередующаяся (дисковая) обмотка броневого трансформатора:
1 - обмотка низшего напряжения; 2 - обмотка высшего напряжения

В трансформаторах малой мощности обычно применяют концентрические обмотки, намотанные из провода круглого сечения. В трансформаторах средней мощности используют одно- или многослойные концентрические обмотки в виде цилиндров, выполненные из проводов прямоугольного сечения. В трансформаторах большой мощности концентрические обмотки состоят из последовательно соединенных дисковых спиральных катушек. Между ними есть горизонтальные каналы для охлаждающей жидкости. Чередующиеся обмотки применяют в основном в броневых трансформаторах. При этом ближе к ярму находится обмотка низшего напряжения.

По способу охлаждения трансформаторы подразделяются на сухие и масляные. Сухие трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение, которое может быть использовано только для трансформаторов малой мощности. При увеличении мощности повышаются интенсивность тепловыделения и нагрев обмоток. Чтобы обеспечить допустимую для изоляции температуру нагрева, применяют более интенсивные способы отвода теплоты. Для этого магнитопровод с обмотками помещают в специальный бак (кожух), заполненный трансформаторным маслом. Масло является одновременно и изолирующей, и охлаждающей средой. Интенсивность охлаждения обеспечивается хек за счет большей по сравнению с воздухом теплопроводности, так и за счет того, что поверхность бака по сравнению с поверхностью трансформатора значительно больше. Этот способ охлаждения называется естественным масляным охлаждением.

У трансформаторов средней мощности для большей интенсивности охлаждения баки делают трубчатыми (рис. 8).



Рис. 8. Бак трансформатора с трубчатым радиатором:
1 - бак, 2 - трубки радиатора, 3 - выводы обмотки низшего напряжения,
4 - выводы обмотки высшего напряжения, 5 - расширитель

Трубы 2, вваренные в стенки бака, образуют радиатор, в котором масло циркулирует за счет конвекции. В трансформаторах большой мощности применяют специальные вентиляторы для обдува трубок радиатора воздухом и даже систему принудительного масляного охлаждения, когда охлаждающее маслонасосами прогоняется через специальные теплообменники, которые, в свою очередь, охлаждаются водой или воздухом.

При работе трансформатора токи в обмотках не остаются постоянными. С изменением тока изменяется степень нагрева масла и, следовательно, его объем. Чтобы при этом поверхность соприкосновения масла с воздухом и его увлажнение были минимальными, применяют так называемые расширители 5, располагаемые выше бака трансформатора.

На крышке бака трансформатора располагаются изоляторы выводов обмоток, изготовленные из фарфора или стекла.
2) Намагничивающий ток и векторная диаграмма трансформатора.

Намагничивающим током называется ток, протекающий по первичной обмотке и создающий магнитный поток Ф трансформатора.

При подведении к первичной обмотке синусоидального напряжения u₁ по обмотке протекает ток i, создающий магнитный поток Ф, который, в свою очередь, индуцирует в первичной обмотке э. д. с. е₂. Пренебрегая активным сопротивлением первичной обмотки для схемы (рис. 1, б), можно написать уравнение по второму закону Кирхгофа:

⁽³⁾

откуда следует, что при синусоидальном напряжении u₁ э. д. с. е₁ также синусоидальна. Так как e₁ пропорциональна производной от магнитного потока Ф, то магнитный поток также изменяется во времени по синусоидальному закону.

Если магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток, является элементом, для которого характерна линейная зависимость между током i и потоком Ф, то, так как



ток изменяется также по синусоидальному закону.

Для магнитопровода из стали (без учета перемагничивания) зависимости Ф  (i), или Ф  (i₁) соответствует кривая намагничивания, представленная на рис. 9, б.

Зависимость Ф = (i), линейна только при малых значениях тока. При больших значениях i наступает магнитное насыщение и при дальнейшем увеличении тока прирост магнитного потока становится меньше. Зависимость i(t) в этом случае можно определить графическим путем, как это показано на рис. 9.



Рис. 9. Графическое определение намагничивающего тока при синусоидальном магнитном потоке: а - Ф  (t), б  Ф  (i), в  i  (t)

В качестве примера рассмотрим построение точки 1 зависимости i(t) (рис. 9, в). Для момента времени находим магнитный поток Ф₁ (точка 1 на рис. 9, а). Переносим это значение на кривую намагничивания (точка на рис. 9, б). Здесь потоку Ф₁ соответствует ток i₁. Далее находим точку 1 зависимости i(t) по координатам t₁ и i₁. Аналогично находим все остальные точки 2, 3, 4, 5. Порядок построения показан на рисунке стрелочками.

Из рис. 9, в видно, что зависимость i(t) несинусоидальна. Только в области малых значений ток изменяется по синусоидальному закону. Чем ближе значение i_к амплитудному, тем больше отклонение мгновенного значения тока от синусоидальной зависимости, причем функция i(t) носит ярко выраженный пиковый характер, в ней выделяется гармоника тока, третьего порядка.

Как известно, векторами можно изображать только синусоидальные величины. Поэтому для построения векторной диаграммы несинусоидальный намагничивающий ток нужно заменить эквивалентным синусоидальным. Таким образом, рассматривают такой синусоидальный ток, действующее значение которого равно действующему значению несинусоидального тока. Эквивалентный синусоидальный намагничивающий ток совпадает по фазе с синусоидальным магнитным потоком, так как реальный ток i(t) через нулевые и максимальные значения проходит одновременно с магнитным потоком. Действующее значение намагничивающего тока можно определить через его максимальное значение:



Рис. 10. Векторная, диаграмма первичной обмотки трансформатора с учетом намагничивающего тока

^{На рис. 10 построена векторная диаграмма цепи первичной обмотки трансформатора. За начальный вектор принят вектор магнитного потока Ф. С ним по фазе совпадает вектор эквивалентного синусоидального намагничивающего тока . Вектор первичной э. д. с. отстает по фазе от вектора на угол π/2, а вектор первичного напряжения , как это следует из (3), противоположен по фазе вектору , так как = -  . Как видно из диаграммы, намагничивающий ток является чисто реактивным индуктивным током.}

Анализ зависимостей на рис. 9 показывает, что при магнитном насыщении увеличивается намагничивающий ток. При работе на линейном участке кривой намагничивания этот ток невелик. Поскольку эти условия работы достигаются за счет увеличений сечения магнитопровода, т. е. за счет увеличения веса и, следовательно, стоимости трансформатора, их изготовляют таким образом, чтобы при максимальном значении магнитного потока было незначительное магнитное насыщение.