курсовой проект. Расчет характеристик трансформаторов и электрических двигателей з

• Название: Расчет характеристик трансформаторов и электрических двигателей з
• Анкор: курсовой проект
• Дата: 28.11.2021
• Размер: 0.78 Mb.
• Имя файла: Kursovoy_proekt_Dolzhenkov_A_A_AEb-19-1.docx
• Тип: Курсовой проект; #284091
• страница: 5 из 10

2. Трансформатор

2.1 Теоретический материал

2.1.1 История создания трансформатора

Трансформатор — устройство, преобразовывающее переменный ток одного в переменный ток другого напряжения. Он состоит из катушек (или обмоток), которые наматываются на каркас с помощью изолированного провода. Размещены катушки на магнитопроводе из пластин специальной стали. Вряд ли можно найти электронное устройство, где не использовался бы электрический трансформатор. Он является также одной из основных составляющих в системе подачи электроэнергии на расстояние. В основу работы трансформатора положено открытие Фарадеем в 1831 году электромагнитной индукции. Правда, главное свойство трансформатора — преобразование токов и напряжений откроют значительно позже.

Французским изобретателем Г. Румкорфом была создана в 1852 году индукционная катушка — прообраз первого трансформатора. С помощью катушки он получил колебания тока высокого напряжения. Для превращения постоянного тока, не поддающегося трансформации, в переменный, изобретатель включил прерыватель последовательно с первичной катушкой. При замыкании во вторичной обмотке напряжение выше первичного в таком соотношении, в каком было количество витков во вторичной обмотке по отношению к первичной. При размыкании тока первичной обмотки возникало еще большее напряжение во вторичной. Чем быстрее размыкание, тем больше его величина. В роли прерывателя была пружинная пластинка. Она размыкала цепь, притянутая сердечником катушки. На частоту прерываний влияла масса и упругость пружины, напряжение батареи. Практическое применение индукционные катушки получили лишь в 70-х годах.

Датой рождения трансформатора принято считать 30 ноября 1876 года. В этот день русскому ученому П. Н. Яблочкову вручили патент на трансформатор с разомкнутым сердечником катушки. Сердечником был стержень, на который были намотаны обмотки. Столкнувшись с проблемой «дробления» электричества, Яблочков предложил решить проблему с помощью индукционных катушек. При таком соединении в цепь включались последовательно первичные обмотки катушек, работавшие в режиме трансформатора, и выдавали необходимое напряжение на выходе. Во вторичную обмотку включали одну, две и более свечей. При потухании одной лампы цепь не разрывалась и другие свечи продолжали гореть. В 1882 году изобретатели Голяр и Гиббс запатентовали трансформатор, используемый также и для преобразования напряжения. Вскоре было отмечено, что можно повысить КПД и уменьшить потери энергии, насадив на единый сердечник вторичную и первичную катушки.

Трансформатор с замкнутым сердечником был впервые создан братьями Гопкинсонами в 1884 году. Сердечник набирался из стальных полос или проволок, которые разделялись изоляционным материалом. Это помогало уменьшить потери энергии. На сердечник поочередно размещали катушки высшего напряжения и низшего. В 1885 году электротехник Дери запатентовал параллельный способ включения трансформаторов в цепь. Это стало началом массового выпуска трансформаторов однофазного тока. Благодаря изобретенному Свинберном в конце 80-х способу масляного охлаждения трансформатора возросла надежность обмоток.

Русским ученым Доливо-Добровольским в 1889 году была предложена система трехфазного переменного тока и был изобретен первый трехфазный трансформатор. Конструкция трехфазного трансформатора с расположенными в одной плоскости параллельными стержнями оказалась довольно удачной и сохранилась без существенных изменений до наших дней. Трансформаторы находят сегодня широчайшее использование в быту и промышленности. Силовые электрические трансформаторы передают переменный ток на огромные расстояния по линиям электропередач. Существуют трансформаторы-карлики, которые применяют в телевизорах, радиоприемниках, телефонных аппаратах, магнитофонах и т.д.

2.1.2 Конструкция и принцип трансформатора

В общем виде трансформатор представляет собой две обмотки расположенных на общем магнитопроводе. Обмотки выполняются из медного или алюминиевого провода в эмалевой изоляции, а магнитопровод изготовлен из тонких изолированных лаком пластин электротехнической стали, для уменьшения потерь электроэнергии на вихревые токи (так называемые токи Фуко). Схема устройства трансформатора представлена на рисунке 2.1.

Та обмотка, которая подключается к источнику питания, называется первичной обмоткой, а обмотка, к которой подключается нагрузка — соответственно вторичной.


Рисунок 2.1 – Схема общего устройства трансформатора

Металлическая часть, на которой располагается электрическая обмотка (катушка), т.е. которая находится в ее центре, называется сердечником, в трансформаторах этот сердечник имеет замкнутое исполнение и является общим для всех обмоток трансформатора, такой сердечник называется магнитопроводом.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные ЭДС е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием ЭДС е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

ЭДС, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока.

Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая ЭДС. В результате этого отношение действующих значений ЭДС Е₁ и E₂, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков N₁ и N₂ этих обмоток.

Отношение ЭДС Е_вн обмотки высшего напряжения к ЭДС E_нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации. Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U₁ и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков.

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

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, т. е. электрическая мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

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: I₁/I₂=U₂/U₁ или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I₁/I₂=N₂/N₁.

Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂ больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

2.1.3 Внешние характеристики

Одной из самых важных характеристик любого трансформатора является внешняя характеристика. Так называют зависимость напряжения вторичной обмотки от нагрузки при неизменном вольтаже на первичной. Любое оборудование подключается к выходам преобразователя, качество его работы зависит от стабильности номинального напряжения на вторичной намотке. При определении внешней характеристики требуются значения параметров, характеризующих не только физические процессы, но и режимы работы преобразователя.

Напряжение на вторичной намотке зависит от вольтажа на первичной и коэффициента трансформации, оно меняется в каких-то пределах при изменении режима работы, зависящего от загрузки. Если меняется режим работы при неизменном вольтаже на первичной намотке, вместе с напряжением на вторичной меняется электроток. Эта закономерность называется внешней характеристикой.

Основной фактор, влияющий на этот показатель – нагрузочная величина электротока, потребляемого подключенным оборудованием. При повышении мощности подключенного оборудования тока требуется больше, на вторичной намотке преобразователя он повышается, вольтаж снижается. Одновременно с увеличением тока на вторичной обмотке увеличивается электроток на первичной, что теоретически должно снизить первичное напряжение. Но оно неизменно, поэтому снижается ЭДС (электродвижущая сила) и электромагнитный поток.

Внешняя характеристика трансформатора представлена на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 – Внешние характеристики трансформатора при различных нагрузках

2.1.4 Схемы соединения обмоток

Трехфазный трансформатор имеет две трехфазные обмотки - высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения, в каждую из которых входят по три фазные обмотки, или фазы. Таким образом, трехфазный трансформатор имеет шесть независимых фазных обмоток и 12 выводов с соответствующими зажимами, причем начальные выводы фаз обмотки высшего напряжения обозначают буквами A, B, С, конечные выводы - X, Y, Z, а для аналогичных выводов фаз обмотки низшего напряжения применяют такие обозначения: a,b,c,x,y,z.

В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяют либо в звезду -Y, либо в треугольник – Δ. Схемы соединения представлены на рисунке 2.3.


Рисунок 2.3 – Соединение обмоток трансформатор в "звезду" и «треугольник"

Выбор схемы соединений находится в зависимости от критерий работы трансформатора. К примеру, в сетях с напряжением 35 кВ и поболее прибыльно соединять обмотки в звезду и заземлять нулевую точку, потому что при всем этом напряжение проводов полосы передачи будет в √3 раз меньше линейного, что приводит к понижению цены изоляции.

Осветительные сети выгодно строить на высокое напряжение, но лампы накаливания с большим номинальным напряжением имеют малую световую отдачу. Поэтому их целесообразно питать от пониженного напряжения. В этих случаях обмотки трансформатора также выгодно соединять в звезду (Y), включая лампы на фазное напряжение.

С другой стороны, с точки зрения условий работы самого трансформатора, одну из его обмоток целесообразно включать в треугольник (Δ).