Многообмоточные трансформаторы имеют одну первичную обмотку и несколько вторичных электрически не связанных обмоток. Важными параметрами подключения трансформатора к сети являются группа и схема соединений его обмоток.

Тема 1.7. Трансформаторы
I.Назначение трансформаторов
Вопрос 1. Определения.
Электрические машины относятся к электротехническим устройствам, служащим как для преобразования электрической энергии (трансформатор), так и для привода в действие различных промышленных и бытовых механизмов
Основным преобразовательным устройством является трансформатор.
Трансформатором называется статистическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования по средством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одно или несколько других систем переменного тока.
Трансформатор простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99 %.
Впервые для технических целей трансформатор был применен русским электротехником и изобретателем П.Н.Яблочковым в 1876 г. для питания электрических свечей. В развитие и совершенствование конструкции трансформатора, предложенного П.Н.Яблочковым, внесли вклад русский инженер И.Усагин (1882 г.), англичане Л.Голар и Д. Гиббс (1885 г.), венгерские инженеры К.Циперновский, М.Дери и О.Блати (1885 г.). Особенно широко трансформаторы стали применяться после того, как М.О.Доливо-Добровольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора (1891 г.).
Вопрос 2. Классификация трансформаторов.
В соответствии с назначением различают трансформаторы:
силовые для питания электрических двигателей и осветительных сетей;
специальные для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения;
измерительные для подключения измерительных приборов;
радиотехнические маломощные трансформаторы и трансформаторы, работающие на повышенной частоте.
В зависимости от числа обмоток (по исполнению) трансформаторы подразделяются на одно-, двух- и многообмоточные.
К однообмоточным трансформаторам относятся автотрансформаторы, у которых между первичной и вторичной обмотками существует не только магнитная, но и электрическая связь (автотрансформаторы).
Двухобмоточные трансформаторы имеют одну первичную и одну вторичную обмотки, которые электрически изолированы друг от друга.
Многообмоточные трансформаторы имеют одну первичную обмотку и несколько вторичных электрически не связанных обмоток.
В зависимости от числа фаз трансформаторы бывают однофазные и многофазными (в основном, трехфазными), причем число фаз первичной обмотки определяется числом фаз источника питания, а число фаз вторичной области назначением трансформатора.
Силовые трансформаторы являются основным электрическим оборудованием электроэнергетических систем, обеспечивающим передачу и распределение электроэнергии на переменном трехфазном токе от электрических станций к потребителям. С помощью трансформаторов повышается напряжение от генераторного до значений, необходимых для электропередач системы, а также осуществляется ступенчатое многократное понижение напряжения до значений, применяемых непосредственно в приемниках электроэнергии.
Вопрос 3. Устройство трансформатора
Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах, магнитопроводом может являться воздушная среда.



Верхнюю часть магнитопровода, называемую ярмом, крепят после насадки на стержень катушек (обмоток). Стержни и ярмо соединяют очень плотно, чтобы исключить воздушные зазоры на стыках.
В маломощных трансформаторах широко применяются кольцевые магнитопроводы (торы). В этих магнитопроводах отсутствует воздушный зазор, поэтому магнитный поток рассеяния мал.
Обмотки трансформаторов располагают на одном или на разных стержнях рядом или одну под другой. В последнем случае непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.
Обмотку трансформатора, к которой отводится напряжение питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка, вторичной. На сердечнике может быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом витков, что позволяет получить различные по значению вторичные напряжения.
Важными параметрами подключения трансформатора к сети являются группа и схема соединений его обмоток. На электрических станциях и подстанциях наибольшее распространение получили следующие схемы и группы соединений трехфазных двухобмоточных трансформаторов:
«звезда» «звезда» с выведенной нейтралью Y/Yн;
«звезда» «треугольник» Y/
·;
«звезда» с выведенной нейтралью «треугольник» Yн/
·.
В трехобмоточных трансформаторах наиболее часто применяются соединения «звезда» «звезда» с выведенной нейтралью «треугольник» Y/Yн/
·.

Вопрос 4. Принцип действия однофазного трансформатора
Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

Рис. 5.1. Принципиальная схема однофазного трансформатора

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением U1 по обмотке начнет проходить ток I1, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС Е2, которую можно использовать для питания нагрузки.
Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения индуктируемых в обмотке ЭДС можно записать в следующем виде:
E1=4,44 f w1Ф
E2=4,44 f w2Ф
где f частота переменного тока; w1 , w2 число витков в обмотках.
Поделив одно равенство на другое, получим

Отношение чисел витков обмоток трансформатора называется коэффициентом трансформации k
Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее ЭДС: U2= Е2, а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки: U1=Е2. Следовательно, для ненагруженного трансформатора можно записать, что

Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что
S1 = S2
где S1 мощность, потребляемая из сети, S1=U1I1 ; S2 мощность, отдаваемая в нагрузку, S2= U2I2.
Таким образом U1I1= U2I2, откуда

Отношение токов первичной и вторичной обмоток приближено равно коэффициенту трансформации k, поэтому ток I1 во столько раз увеличивается (уменьшается), во сколько раз уменьшается (увеличивается) U1.
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 (w2 > w1). Такой трансформатор называется повышающим. Если необходимо понизить напряжение источника питания, то число витков вторичной обмотки делают меньше числа витков первичной обмотки (w2< w1). Такой трансформатор называется понижающим. Если требуется несколько различных значений вторичного напряжения, то на тот же магнитопровод наматывают несколько вторичных обмоток с различным числом витков.

Пример 1.
Найти ЭДС первичной обмотки трансформатора с числом витков 1000, если он подключен к сети переменного напряжения частотой 400 Гц, а в магнитопроводе создается магнитный поток Ф= 1,25*10-4 Вб
Решение.
ЭДС, индуктируемую в первичной обмотке определяем по формуле
E1=4,44 f w1Ф = 4,44*400*1000*1,25*10-4 = 222 В
Пример 2.
Трансформатор подключен к сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Определить коэффициент трансформации, если активное сечение магнитопровода составляет 4,4*10-3 м2 , магнитная индукция в нем – 1,5 Тл, а число витков вторичной обмотки – 50.
Решение.
Определяем максимальный магнитный поток Ф= B*S, где В – магнитная индукция, S – сечение магнитопровода в м2 .
Ф=B*S = 1,5*4,4*10-3 = 6,6*10-3 Вб
Затем определяем ЭДС вторичной обмотки тр-ра E2=4,44 f w1Ф
E1=4,44*50*50*6,6*10-3 = 73,26 В
Коэффициент трансформации
К= E1/E2 = 220/73,26 = 3
Пример 3.
Напряжение первичной обмотки трансформатора равно 6,3 кВ. Определить коэффициент трансформации, если в режиме холостого хода напряжение на выводах его вторичной обмотки составляет 400 В. Найти число витков первичной обмотки, если число витков вторичной обмотки равно 150.
Решение.
Коэффициент трансформации равен
К= U1/U2 = 6,3*1000/400 = 15,75
Из формулы коэффициента трансформации
К= w1 /w2
можно определить число витков первичной обмотки
w1 = К * w2 = 15,75 * 150 = 2 362

Вопрос 5. Режимы работы трансформатора
Рабочий режим трансформатора режим, при котором к вторичной обмотке подключена какая-либо нагрузка. Первичная обмотка включается в сеть и работает в режиме потребления, а вторичная обмотка работает в режиме генератора.

При подключении нагрузки к вторичной обмотке трансформатора в ней под действием ЭДС основного магнитного потока будет протекать переменный электрический ток I2, а в первичной обмотке ток I1.
Пренебрегая некоторыми погрешностями можно установить:
Ток I2, протекающий по вторичной обмотке при нагрузке трансформатора, создает свой магнитный поток, который согласно закону Ленца направлен навстречу магнитному потоку в сердечнике и стремится его уменьшить. Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки.
Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и одновременно увеличиваются как ток первичной обмотки I1 так и магнитный поток, создаваемый этим током. Результирующий магнитный поток в сердечнике оказывается неизменным. При уменьшении тока во вторичной обмотке уменьшается ток и в первичной обмотке.
Мощность, отдаваемая трансформатором приемнику энергии S2=U2I2, равна мощности, потребляемой из сети источника энергии S1=U1I1.
Обмотки трансформатора имеют обычно большое число витков: первичная w1 вторичная w2. В каждом витке обеих обмоток индуцируется одинаковая ЭДС, так как все витки этих обмоток сцеплены с одним и тем же магнитным потоком. Поэтому ЭДС каждой обмотки равна сумме ЭДС всех витков.
Значений: приложенного напряжения U1 и уравновешивающей это напряжение ЭДС первичной обмотки E1 равн
·ы: E1= U1.
В понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U1 больше напряжения вторичной обмотки U2 в k раз. Следовательно, ток вторичной обмотки I2 больше тока первичной обмотки I1 также в k раз. В повышающем трансформаторе имеет место обратное соотношение между напряжениями его обмоток и между токами в них.
Таким образом, в обмотке с более высоким напряжением ток меньше, чем в обмотке с более низким напряжением. Обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и наматывается из провода с меньшим поперечным сечением, чем обмотка с более низким напряжением.
Чтобы не устанавливать отдельный трансформатор на каждое рабочее напряжение, целесообразно на одном трансформаторе выполнить несколько вторичных обмоток с различным числом витков. Такие трансформаторы называются многообмоточными. Они широко применяются в радиоприемниках, телевизорах, усилителях и другой аппаратуре, требующей для питания различные переменные напряжения.

При режиме холостого хода трансформатора вторичная обмотка разомкнута и ток в этой обмотке не проходит. В первичной обмотке при этом проходит ток холостого хода I0, который намного меньше тока этой обмотки при номинальной нагрузке трансформатора. Магнитодвижущая сила (МДС) холостого хода возбуждает переменный магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу и индуцирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС.
Так как при холостом ходе во вторичной обмотке тока нет, напряжение на зажимах этой обмотки равно ЭДС, т. е. U2=Е2. В первичной обмотке протекает небольшой ток холостого хода I0, и напряжение этой обмотки незначительно отличается от ЭДС. т.е. U1=Е1.
На основании этого опыта по показаниям измерительных приборов определяют коэффициент трансформации и мощности потерь в магнитопроводе трансформатора. Опыт холостого хода является одним иp двух обязательных контрольных опытов при заводском испытании готового трансформатора.

Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, при котором выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (ZH=0). Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.
В лабораторных условиях накоротко замыкают зажимы вторичной обмотки, а к первичной обмотке подводят такое напряжение U, при котором ток в первичной обмотке не превышает номинального значения (I < Iном). Напряжение U, при котором I = Iном, выраженное в процентах, обозначают Uк.з. и называют напряжением короткого замыкания трансформатора. Эту характеристику трансформатора указывают в паспорте. Напряжение короткого замыкания трансформатора зависит от высшего напряжения обмоток трансформатора.
Такой опыт служит для определения важнейших параметров трансформаторов: мощности потерь в проводах, внутреннего падения напряжения и т.д. Опыт короткого замыкания, как и опыт холостого хода, обязателен при заводских испытаниях.

Вопрос 6. Потери и КПД трансформатора
Коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора
· называется отношение полезной мощности трансформатора Р2 к мощности, потребляемой им из сети источника электрической энергии Р1.
Трансформаторы имеют высокие значения КПД (средней и большой мощности 95...99,В %, малой мощности 70...90%), поэтому их невозможно определять с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей Р1 и Р2, так как процентная разница этих мощностей обычно сравнима с погрешностью приборов, используемых для измерения. Поэтому на практике чаще всего КПД трансформатора определяют косвенным методом, используя данные опытов холостого хода и короткого замыкания, что позволяет получать высокую точность.
Потребляемая мощность Р, будет всегда больше полезной мощности Р2, так как при работе трансформатора происходит потеря преобразуемой им энергии. Потери в трансформаторе складываются из потерь в стати магнитопровода Рст и потерь в обмотках Робм.
Р1= Р2+ Рст+ Робм.
Полезную мощность трансформатора находят следующим образом:
для однофазного трансформатора

для трехфазного трансформатора

Следовательно, КПД можно определить следующим образом:
для однофазного трансформатора

для трехфазного трансформатора

Для уменьшения потерь в стали от вихревых токов и гистерезиса сердечники трансформаторов изготавливают из магнитомягкого ферромагнитного материала тонколистовой электротехнической стали, содержащей до 5 % кремния. При этом магнитопровод делают шихтованным в виде пакетов из тонких пластин, изолированных с двух сторон тонкой пленкой лака.
Обмотки трансформаторов изготавливают из медного или алюминиевого провода и располагают на одном или на разных стержнях рядом или одну под другой. В последнем случае непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.
Вопрос 7. Разновидности трансформаторов
7.1. Трехфазный силовой трансформатор
Все параметры для однофазных трансформаторов можно распространить на каждую фазу трехфазного трансформатора в случае симметричной нагрузки.
Для трансформирования трехфазной системы токов можно воспользоваться трансформаторной группой тремя однофазными трансформаторами, работающими как один агрегат. Но можно объединить три однофазных трансформатора в один трехфазный аппарат и при этом получить экономию материалов.
Рассмотрим основные элементы трехфазного трансформатора. Магнитопровод трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещены первичная и вторичная обмотки соответствующей фазы. Для подключения трансформатора к линии электропередачи на крышке бака имеются вводы, представляющие собой фарфоровые изоляторы, внутри которых проходят медные стержни. Вводы высшего напряжения обозначают буквами А, В, С, вводы низшего напряжения буквами а, a,b,c.
Обмотки высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений каждой из фаз трансформатора размещают на стержне концентрически, одна поверх другой. Обычно ближе к стержню располагают обмотку НН.

Рис. 5.3. Схемы построения трехфазного трансформатора: а три однофазных трансформатора: 6 трехфазный стержневой трансформатор

Принцип работы и электромагнитные процессы в трехфазном трансформаторе аналогичны рассмотренным ранее. Особенностью трехфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток.
Обмотки трехфазного трансформатора соединяются по схеме «звезда» или «треугольник»; при этом схемы соединения обмоток обозначаются дробью (в числителе указывается схема соединения обмоток высшего напряжения, а в знаменателе схема соединения обмоток низшего напряжения). Соединение обеих обмоток трехфазного трансформатора по схеме «звезда» наиболее простое и дешевое, применяется для трансформаторов небольшой и средней мощностей. Это соединение наиболее желательно при высоких напряжениях, так как при такой схеме изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем дороже соединение по схеме «треугольник». Соединение обмоток по схеме «треугольник» конструктивно оправдано при больших токах.
На трансформаторных подстанциях может использоваться параллельное подключение трехфазных трансформаторов к первичной сети и общему потребителю (рис. 5.5).

7.2. Автотрансформаторы.
Автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит ее часть, поэтому помимо магнитной связи имеется электрическая связь между первичной и вторичной цепями. Обмотка высшего напряжения автотрансформатора может быть первичной или вторичной обмоткой аппарата.
Рис. 5.6. Принципиальная схема автотрансформатора
Автотрансформатор по сравнению с трансформатором равной мощности обладает следующими преимуществами:
меньший расход активных материалов (медь и электротехническая сталь);
более высокий КПД (у автотрансформаторов большой мощности КПД достигает 99,7 %);
меньшие размеры и стоимость.
Преимущества автотрансформатора уменьшаются с увеличением коэффициента трансформации.
Автотрансформаторы нельзя применять для питания распределительных сетей низкого напряжения от сети высокого напряжения, так как в случае пробоя изоляции автотрансформатора появляется опасность для жизни обслуживающего персонала.

7.3. Измерительные трансформаторы напряжения и тока.
С помощью измерительных трансформаторов напряжения и тока измеряют большие напряжения и токи.
Трансформаторы напряжения применяются для включения вольтметров, частотомеров и цепей напряжения других измерительных приборов (ваттметров, счетчиков, фазометров) и реле, рассчитанных на работу со стандартными приборами на напряжение 100 В;


Трансформаторы тока применяются для включения амперметров, ваттметров и цепей тока измерительных приборов и реле, рассчитанных на работу со стандартными приборами на ток 1; 2; 3,5; 5 А.


7.4. Сварочные трансформаторы
Источником переменного тока, используемым для сварочных работ, является, как правило, однофазный трансформатор, который разделяет сварочную и силовую цепь, понижает напряжение сети до необходимого для сварки значения и обеспечивает сварочного тока.

Сопротивление электрической дуги, возникающей при сварке, изменяется при перемещениях руки сварщика. Сварочный трансформатор устроен так, что при резком уменьшении сопротивления дуги ток в цепи увеличивается незначительно, а произведение I2R определяющее количество теплоты, сохраняется на требуемом уровне.
Сварочный трансформатор выдерживает короткие замыкания, возникающие в случае прикосновения электрода к сварочному шву. Вторичная обмотка трансформатора рассчитана на достаточно длительное протекание этого тока.
Сварочные трансформаторы изготавливают с большим регулируемым индуктивным сопротивлением обмоток.









13 PAGE \* MERGEFORMAT 14515




·Рисунок 1Рисунок 10Рисунок 8Рисунок 1015

Приложенные файлы

  • doc 13487777
    Размер файла: 219 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий