эиэ. Технология мяса и мясных продуктов, 260303 Технология молока и молочных продуктов. СанктПетербург 2009 2

• Название: Технология мяса и мясных продуктов, 260303 Технология молока и молочных продуктов. СанктПетербург 2009 2
• Дата: 11.11.2019
• Размер: 2.12 Mb.
• Имя файла: alael.pdf
• Тип: Учебное пособие; #94535
• страница: 10 из 14

10.1. Назначение, устройство, принцип действия трансформаторов Трансформатором называется статическое (те. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное чаще всего для преобразования одного переменного напряжения в другое (или в другие) напряжение той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух обмоток с общим магнитным потоком, которые электрически изолированы друг от друга (за исключением автотрансформаторов.
Для усиления индуктивной связи и снижения влияния вихревых токов первичные и вторичные обмотки трансформаторов размещаются на магнитопроводе, собранном из листовой электротехнической стали. Магнитопровод отсутствует только в воздушных трансформаторах, которые применяются на частотах свыше 20 кГц, при которых магнитопровод практически не намагничивается из-за значительного увеличения вихревых токов. На электрических станциях (вместе производства электрической энергии) выгодно повышать напряжение до десятков, сотен тысяч вольт и выше (35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ и выше, так как чем выше напряжение, тем меньше ток при той же передаваемой мощности, следовательно, требуется меньшее сечение проводов линии передачи. Далее электрическую энергию передают по проводам к расположенным в районах потребления понижающим подстанциям, где напряжение понижается до 6; 10 кВ. Эти напряжения используются для питания мощных электродвигателей и приемников, а также трансформаторов, понижающих напряжение до 380; 220 В. Трансформаторы различаются по числу фаз
– однофазные,
– трехфазные
по числу обмоток
– двухобмоточные,
– многообмоточные; по назначению
– силовые,
– измерительные,
– автотрансформаторы.

118
e = u
1
u
2
e
2
e
1
w
1
w
2
i
2
i
1
Ф н
1
Рис. 75 Важнейшим свойством трансформатора является возможность передачи энергии при отсутствии электрической связи между обмотками На щитке трансформатора указываются его номинальные напряжения – высшее и низшее, в связи с чем следует различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения
(НН) трансформатора. Кроме того, на щитке трансформатора должны быть указаны его номинальная полная мощность (ВА
), токи (А) при номинальной полной мощности, частота, число фаз, схема соединений, режим работы (длительный или кратковременный) и способ охлаждения. В зависимости от способа охлаждения трансформаторы делят на сухие и масляные. Если первичное напряжение трансформатора меньше вторичного, то он называется повышающим, в противном случае
(U
1
> U
2
) – понижающим. Рабочий процесс однофазного трансформатора практически такой же, как и одной фазы трехфазного, поэтому рассмотрим работу однофазного двухобмоточного трансформатора. Простейший однофазный трансформатор (рис. 75) состоит из сердечника 1 и двух обмоток 2. На рис. 75: w
1,
w
2
– число витков первичной и вторичной обмоток соответственно ток, напряжение, ЭДС этих обмоток, Ф – магнитный поток, н сопротивление нагрузки.
Сердечник представляет собой магнитопровод (стержневой, броневой и др, собранный из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, электрически изолированных друг от друга. Это делается для снижения вихревых токов и усиления индуктивной связи. Обмотки выполняются из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Обмотки изолируют как т стержня и ярма магнитопровода, таки друг от друга. В качестве изоляции применяются электротехнический картон, специальная бумага или изоляционные лаки. Основным параметром трансформатора является коэффициент трансформации К
2 1
2 Рассмотрим принцип действия однофазного трансформатора. Предположим сначала, что цепь вторичной обмотки разомкнута и при действии источника напряжения u
1
= e ток в первичной обмотке равен Магнитодвижущая сила i
1
w
1
возбуждает в магнитопроводе магнитный поток. Этот магнитный поток, замыкаясь основной своей частью (другая его часть рассеивается по воздуху) по сердечнику и пересекая обмотки, индуктирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции и во вторичной обмотке – ЭДС взаимной индукции на рис. 75 не показана. ЭДС e
1
уравновешивает основную часть напряжения u
1
, ЭДС e
2
создает напряжение u
2
на выходных зажимах трансформатора. При замыкании вторичной обмотки на нагрузку н в ней возникает ток Создаваемая этим током МДС i
2
w
2
возбуждает в магнитопроводе поток, направленный навстречу первичному потоку В результате наложения потоков создается общий магнитный поток Ф, сцепленный свитками обеих обмоток трансформатора и определяющий в них результирующие ЭДС – e
1
и Если вцепи первичной обмотки ЭДС e
1
и ток i
1
совпадают по направлению, тов цепи вторичной обмотки направление тока i
2
выбрано противоположным направлению ЭДС e
2
. Это соответствует физическому представлению о различной роли ЭДС в первом случае ЭДС препятствует изменению тока, а во втором возбуждает ток. Значения ЭДС, индуктируемые в обмотках, определяются на основании закона электромагнитной индукции (закона Фарадея):
.
w
t
Ф
e
d d



120 Если принять, что магнитный поток Ф имеет синусоидальную форму Ф = Фи обозначить амплитудное значение ЭДС водном витке, как E
m
=

Ф, то получим










2
sin
t
E
e
m
, теин- дуктируемая ЭДС отстает от потока на угол

/2. После ряда преобразований с учетом числа витков первичной и вторичной обмоток получим действующие значения ЭДС первичной и вторичной обмоток
E
1
= 4,44 w
1
f Ф, E
2
= 4,44 w
2
f Ф
, где f – частота тока в сети, w
1 и w
2
– число витков первичной и вторичной обмоток соответственно.
10.2 . Уравнения электрического равновесия трансформатора. Приведенный трансформатор Если учесть потоки рассеяния реального трансформатора и считать, что обмотки обладают активным сопротивлением, то получим следующие уравнения равновесия трансформатора в комплексной форме, составленные по II закону Кирхгофа:
для первичной обмотки об 1
1 1
расс
1 1
1 1
I
Z
E
I
R
I
jx
E
U













; для вторичной обмотки об 2
2 2
расс
2 2
2 2
I
Z
E
I
R
I
jx
E
U











, где об и об – комплексные сопротивления, учитывающие активные сопротивления обмоток и индуктивности рассеяния. Принцип саморегулирования трансформатора заключается в следующем при увеличении тока нагрузки (например для активно- индуктивной наrpyзки) МДС вторичной обмотки i
2
w
2 также увеличится. Эта МДС стремится ослабить поток Ф Уменьшение потока Ф приводит к уменьшению ЭДС e
1
, те. нарушению электрического равновесия e
1
= –u
1
, следовательно, к росту тока i
1
в первичной обмотке Равенство восстанавливается, когда рост МДС i
1
w
1
скомпенсирует рост МДС i
2
w
2
; это может наступить при увеличении тока i
1
и соответственно росте потока Ф, причем при любом изменении сопротивления нагрузки, разность потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками, должна оставаться постоянной и равной потоку холостого хода. Таким образом, изменение нагрузки трансформатора, те. тока приводит к соответствующему изменению тока i
1
, так что выполняется закон сохранения энергии и обеспечивается баланс мгновенных мощностей p
1

p
2
или u
1
i
1

u
2
При исследовании трансформатора для упрощения расчетов и построения его векторных диаграмм пользуются так называемым приведенным трансформатором, в котором число витков вторичной обмотки принимается равным числу витков первичной обмотки, тогда условно можно считать, что коэффициент трансформации равен единице (К = 1).
Все параметры приведенного трансформатора пишутся со штрихом, например
2 2
2 2
2
,
,
,
,
E
x
Z
U
I





и т. д. Соотношения между параметрами вторичной обмотки реального и приведенного трансформатора следующие
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2
K
;
K
;
K
;
K
;
K
K;
x
x
R
R
Z
Z
U
U
E
E
I
I












, где К – коэффициент трансформации реального трансформатора. Кроме того, поскольку для приведенного трансформатора Кто справедливо соотношение
2 1
E
E


, что очень важно при построении векторной диаграммы нагруженного трансформатора.
10.
3. Режимы работы трансформатора В эксплуатационных условиях различают несколько режимов работы трансформатора, имеющего номинальную полную мощность ном = ном = ном ном номинальный режим, те. режим при номинальных значениях напряжения и тока первичной обмотки трансформатора

122
– рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему, а ток меньше своего номинального значения или равен ему и определяется нагрузкой трансформатора, те. током I
2
;
– режим холостого хода, те. режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (I
2
= 0) или подключена к приемнику сочень большим сопротивлением нагрузки (например, к вольтметру
– режим короткого замыкания (аварийный, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко (U
2
= 0), ток в ней очень большой, что может привести к сильному перегреву сердечника и перегоранию самой обмотки. Опыты холостого хода и короткого замыкания являются обязательными контрольными опытами при заводском испытании готового трансформатора.
10.3.1. Опыт холостого хода трансформатора Опыт холостого хода проводят при разомкнутой вторичной обмотке подключают к ней только вольтметр, внутреннее сопротивление которого достаточно велико, и ток во вторичной обмотке не протекает (рис. 76). Все параметры первичной и вторичной обмоток трансформатора при опыте холостого хода обозначены с индексом «0». По первичной обмотке течет ток холостого хода
0 1
I , который создает поток Ф
0
Зависимость тока холостого хода первичной обмотки от напряжения называется характеристикой холостого хода
 
0 0
1 Она имеет тот же вид что и вольтамперная характеристика
(ВАХ) любой катушки с магнитопроводом. По виду этой характеристики судят о магнитных свойствах материала сердечника. Обычно при проектировании трансформаторов амплитуду магнитной индукции) выбирают не более 1 Тл. Опыт проводят при напряжении ном 1
1
U
U

и токе
%
10 3
0 от ном, где ном ином номинальные значения напряжения и тока первичной обмотки трансформатора

123 По показаниям вольтметров в обмотках трансформатора можно найти его коэффициент трансформации
0 0
0 0
2 1
2 1
2 Опыт холостого хода служит также для определения мощности потерь в магнитопроводе трансформатора. Потери встали это потери, связанные с нагреванием сердечника обусловленные, во-первых, мощностью, затраченной на перемагничивание сердечника, и во-вторых, мощностью, теряемой в сердечнике из-за наличия вихревых (индукционных) токов в нем. Мощность, затраченная на перемагничивание сердечника, зависит от его материала (трансформаторная сталь, электротехническая сталь и т. д, те. от формы петли гистерезиса материала, а мощность, создаваемая вихревыми токами, зависит от формы и конструкции сердечника (стержневой, броневой, тороид и т.д.). Для уменьшения потерь встали, сердечник делается не сплошной, а из пластин электротехнической стали толщиной 0,35 или
0,5 мм, которые разделены между собой изоляцией. Потери встали сердечника для данного типа трансформатора – величина постоянная и независящая от нагрузки трансформатора. Тем не менее, потери встали зависят от потока в сердечнике Ф, который создается током
0 1
I , а он, в свою очередь, зависит от напряжения, подаваемого на первичную обмотку трансформатора
0 1
U . А
V
V
0 1
I
0 0
2

I
0 1
U
0 2
U
0 1
P
S Рис. 76
PV
1
PV
2

124 Таким образом, если уменьшать или увеличивать первичное напряжение, то потери встали тоже будут меняться. Поскольку ваттметр определяет всю мощность, забираемую трансформатором из сети (затраченную мощность
0 1
P ), а полезная работа не совершается 0
2

I
) и потери в меди обмоток очень малым, то можно считать, что показание ваттметра – это и есть потери встали ст , так как в общем случаем +ст, где P
1
– мощость первичной обмотки трансформатора, P
2
– мощность вторичной обмотки трансформатора (полезная мощность, ми ст – потери в меди обмоток ив стали сердечника трансформатора соответственно. Векторная диаграмма, представленная на рис. 77, строится для приведенного трансформатора, те. принимается, что
0 0
2 1
E
E




, так как коэффициент трансформации такого трансформатора равен единице. Уравнения равновесия трансформатора для режима холостого хода, на основании которого строится векторная диаграмма, следующие, где
0 2
E

 – приведенное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора Ф

0 1
1
расс
I
jx

1 Рис. 77

125 При построении векторной диаграммы за основу берется вектор магнитного потока, который откладывается по вещественной оси, ток холостого хода
0 1
I опережает Ф на угол

– угол магнитных потерь, зависящий от материала сердечника (обычно


7

–10

), ЭДС
0 0
2 1
E
E



отстает от потока на угол
2

, активное падение напряжения первичной обмотки
1 1
0
R
I
совпадает по фазе стоком, а индуктивное –
0 1
1
I
jx
расс
 опережает ток на угол
2

,

– угол сдвига фаз между напряжением и током первичной обмотки. Значительное увеличение напряжения холостого хода недопустимо, так как вследствие насыщения сердечника может сильно увеличиться ток холостого хода. Обычно
0 1
U не должно быть больше
1,1 ном
1
U
Опыт холостого хода трансформатора при номинальном первичном напряжении ном 0
U
U

является основным при испытании трансформатора.
10.3.2. Опыт короткого замыкания трансформатора
Опыт короткого замыкания трансформатора проводят при пониженном напряжении на первичной обмотке, номинальном вторичном токе к
= ном и короткозамкнутой вторичной обмотке. Условие проведения опыта – напряжение (к) первичной обмотки должно составлять от 5 доном, а ток вторичной обмотки не должен превышать ном. (рис. 78). Этот опыт служит для определения важнейших параметров трансформатора мощности потерь в проводах обмоток, внутреннего падения напряжения и т. п. Уравнение равновесия трансформатора при коротком замыкании следующее


,
расс
2к
2 к так как к = 0.

126 Действующее значение к составляет 2–5 % E
2 в рабочем режиме. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток в сердечнике, а вместе с ним намагничивающий токи мощность потерь в магнитопроводе, пропорциональная Ф Следовательно, можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность к трансформатора равна мощности потерь в проводах первичной и вторичной обмоток, а потерями встали сердечника (из-за их относительной малости) можно пренебречь. к = R
1 к + R
2 к = R
1 к + к 2
I
R


. (10.1) Так как намагничивающим током
0 1
I ввиду его малости можно пренебречь, тона основании уравнения (10.1) к
2
к
1
I
I


Тогда


2
к
1
к
2
к
1 к, где к – активное сопротивление короткого замыкания трансформатора. По мощности потерь в трансформаторе при коротком замыкании вторичной обмотки и номинальном значении первичного тока определяется активное сопротивление короткого замыкания трансформатора
2
к
1
к
1
к
I
P
R

PA
1
PA
2 к к
1
I
к
1
U
к
1
P
к
2
U
= 0 Рис. 78

127 Чтобы обеспечить минимальные размеры трансформатора, конструкторы выбирают такие плотность тока в проводах и индукцию в магнитопроводе, которые соответствуют предельно допустимой температуре нагревания при работе трансформатора. По этой причине для определения мощности потерь в обмотках нагруженного трансформатора значение к, найденное из опыта короткого замыкания должно быть пересчитано (приведено к температуре 75 С. Индуктивное сопротивление короткого замыкания можно считать независящим от температуры, поэтому оно определяется непосредственно из результатов опыта
2
к
2
к
1
к
1 2
к
2
к к
R
I
U
R
Z
x










Зная к, к, к, можно определить активную и индуктивную составляющие напряжения короткого замыкания (ка икр Напряжение короткого замыкания к является важным параметром трансформатора, на основании которого определяются изменения вторичного напряжения нагруженного трансформатора. Этот параметр должен указываться на щитке трансформатора ив его паспорте. Режим работы трансформатора под нагрузкой Режим работы трансформатора под нагрузкой – это режим работы трансформатора, при котором на его вторичную обмотку подключается потребитель с изменяющейся величиной тока (рис. 79). Уравнения равновесия приведенного трансформатора
1 1
1 1
1 1
x
I
j
R
I
E
U








;
2 2
2 2
2 2
x
I
j
R
I
E
U













, где
2 2
2
,
,
I
E
U






– приведенные значения напряжения, ЭДС и тока вторичной обмотки.

128 Выведем уравнение намагничивающих сил трансформатора. Если при режиме холостого хода поток в сердечнике м 1
0 Ф, где
0 1
I – комплексное значение тока холостого хода в первичной обмотке число витков первичной обмотки м – магнитное сопротивление, то при нагрузке м 2
1 Ф, где
1 1
w
I
– ампер-витки первичной обмотки
2 2
w
I
– ампер-витки вторичной обмотки. Исходя из принципа саморегулирования трансформатора, необходимо, чтобы поток холостого хода всегда равнялся бы потоку в сердечнике при рабочем режиме для любой нагрузки (Ф = Ф, тогда можно записать
2 2
1 1
1 Если разделить последнее выражение на число витков первичной обмотки получим
(1
)
W
A
A
V
V
PA
1
PA
2
PV
2
PV
1 н
1
U
2
U
2
I
1
I Рис. 79

129 1
2 2
1 1
0
w
w
I
I
I





, где
1 2
w
w
– обратная величина коэффициента трансформации К Обозначим
2 1
2 2
I
w
w
I




, где
2
I

 – приведенное значение тока во вторичной обмотке. Учитывая вышесказанное, уравнение токов имеет вид
1 1
2 На основании последнего уравнения и двух уравнений равновесия приведенного трансформатора можно построить векторную диаграмму нагруженного трансформатора.
10.3.4. Внешняя характеристика трансформатора Внешняя (вольт-амперная) характеристика трансформатора – это зависимость напряжения U
2
на выходе трансформатора оттока вторичной обмотки I
2
при постоянном напряжении на входе (U
1
= const) и постоянном коэффициенте мощности нагрузки (cos

нагр
= У реального трансформатора при обычной активно-индуктив- ной нагрузке напряжение U
2
уменьшается с ростом тока I
2
за счет имеющихся ЭДС рассеяния и падений напряжения на активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток. Однако для различного характера нагрузки (

> 0;

< 0;

= 0) падение напряжения на вторичной обмотке может быть различным. Внешняя характеристика трансформатора представлена на риса. На рис. 80, б представлена внешняя характеристика трансформатора для различного характера нагрузки 1 – для активной нагрузки = 0);
2 – для активно-индуктивной нагрузки
> 0);
3 – для активно-емкостной нагрузки (

2
< 0).

130 Для обычных трансформаторов коэффициент загрузки К берется от 0 доте. перегружать трансформатор более, чем на 30 не допускается. ном 2
з
К
I
I

Потери напряжения в трансформаторе

U
2
зависят как отвели- чины нагрузки (I
2
) и ее характера (

2
), таки от сопротивлений обмоток трансформатора к и x
к


2
к
2
к
2ном з cos к





