Принцип дії, будова та експлуатація силового трансформатора

 

Мета заняття: Вивчити принцип дії та будову трансформатора, набути практичних навичок в читанні електричних схем.

 

Програма роботи:

1. По методичному посібнику і зразкам трансформаторів вивчити їх конструкції і електричні схеми.

2. Скласти звіт згідно додатку.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

 

Принцип дії трансформатора.

Трансформатором називають статичний апарат з кількома магнітно зв'язаними між собою обмотками, призначених для перетворення електромагнітної енергії однієї напруги в електромагнітну енергію іншої напруги. Частота змінного струму при цьому залишається незмінною.

Трансформатори, що застосовуються в техніці, складаються з двох або більше обмоток і стального замкненого магнітопроводу (осердя), набраного з ізольованих з двох сторін листів електротехнічної сталі товщиною 0,35 чи 0,5 мм (рис 1.1). Магнітопровід служить для підсилення магнітного зв'язку між обмотками.

Трансформатори, в яких головним ізоляційним середовищем і теплоносієм служить трансформаторне масло називаються масляними. Трансформатори, в яких охолоджуючим і ізоляційним середовищем являється атмосферне повітря, називаються повітряними сухими трансформаторами.

Трансформатори, що призначені для передавання і розподілу електроенергії називаються силовими. Крім того, існують так звані спеціальні трансформатори – вимірювальні (струму та напруги), зварювальні, автотрансформатори та ін.

Обмотка w₁ (рис.1.1), до якої підводиться енергія змінного струму, називається первинною, а обмотка w₂, від якої енергія відводиться, називається вторинною. Якщо первинна обмотка трансформатора сполучається з колом вищої напруги, а вторинна – з колом нижчої, то такий трансформатор називається знижуваль­ним. Якщо вторинна напруга вища за первинну, то трансформатор називають підвищувальним.

Обмотка більш високої напруги (з більшим числом витків) називається обмоткою вищої напруги (ВН), а обмотка w₂ більш низької напруги (з меншим числом витків) — обмотка нижчої напруги.

 

 

 

Рис.1.1

 

Початки обмоток ВН позначають великими літерами латинського алфавіту А, В, С, кінці – великими літерами Х, У, Z. Позначенню обмоток НН відповідають такі самі маленькі літери а, в, с, х, у, z.

Принцип дії трансформатора ґрунтується на явищі електро­магнітної індукції. Якщо до обмотки w₁ прикласти напругу U₁ певної частоти, то по ній проходитиме змінний струм тієї ж частоти, який створюватиме змінний магнітний потік. Основна частина цього патоку Ф (основний потік) пронизує обидві обмот­ки, тому що вони магнітно зв'язані між собою загальним магнітопроводом і наводить в них електрорушійні сили (ЕРС) е₁ і е₂ такої ж частоти, як і напруга U₁. Якщо до обмотки w₂ підключити електроприймач з опором Rн, то в колі цієї обмотки проходитиме струм і₂. Таким чином електроенергія одних параметрів, що підводиться до обмотки w₁ перетвориться в електроенергію інших параметрів, що передається електроприймачу, при цьому S₁ = U₁•I₁ ≈ S₂ = U₂•I₂.

Ф_σ1 і Ф_σ2 – потоки розсіювання, створені первинним струмом I₁ і вторинним – I₂. Ці потоки пронизують тільки одну обмотку.

В первинній обмотці основним потоком Ф, згідно закону електромагнітної індукції (в формулюванні Максвелла), наводи­ться ЕРС самоіндукції:

, 1.1

а у вторинній обмотці – ЕРС взаємоіндукції

, 1.2

де Ψ₁ = Фw₁, Ψ₂ = Фw₂ – повне потокозчеплення з витками первинної і вторинної обмоток.

Знак мінус у правій частині формул показує, що струм, який проходить по контуру під дією наведеної в ньому ЕРС намагається протидіяти зміні потоку, що пронизує контур.

Відношення ЕРС обмотки ВН до ЕРС обмотки НН називається коефіцієнтом трансформації.

. 1.3

 

На практиці коефіцієнт трансформації визначають не відношенням ЕРС, а відношенням напруг U₁ і U₂ холостого ходу (до первинної обмотки підведено напругу U₁, а вторинна розімкнена). Це допустімо тому, що різниця між напругами U₁ і U₂ та ЕРС е₁ і е₂ в цьому режимі через малі значення падінь напруг в первинній і вторинній обмотках, викликаних прохідними струмами через вольтметри, складає десяті долі відсотка. Тому відношення напруг U₁ і U₂ при холостому ході дорівнює відношенню числа витків обмоток.

. 1.3

 

Для передачі великої кількості енергії однофазний змінний струм не застосовують. Для цих цілей отримав широке застосуван­ня трифазний струм. Тому більшість трансформаторів в мережах являються трифазними (рис 1.2, 1.3).

В основу конструкції трифазного трансформатора покладено сполучення трьох однофазних трансформаторів. Для цього пер­винні і вторинні обмотки кожного однофазного трансформатора розміщають на одному стержні однофазних трансформаторів, а їх вільні стержні об'єднують в один. Оскільки для трифазних синусоїдних струмів, які зсунуті по фазі один відносна іншого на 120º, виконується вимога:

І_А + І_В + І_С = 0, 1.5

то і для синусоїдних потоків у трифазному трансформаторі виконуватиметься умова:

Ф_А + Ф_В + Ф_С = 0 1.6

Це означає, що в об'єднаному стержні сумарний потік завжди дорівнює нулю, і цей стержень практично не потрібний. Три стержні з обмотками, що залишилися, розміщаються в одній площині і утворюють трифазний стержневий трансформатор (рис 1.2, 1.3). В такому трансформаторі кожний потік, циркулюючи по всьому магнітопроводу а окремості сходиться в серединах верхнього та нижнього ярем (точках D і F) при спільній роботі трьох фаз. В цих точках потоки складаються геометрично, а значить сума всіх трьох потоків дорівнює нулю. Таким чином кожний з магніт­них потоків проходить тільки по своєму стержню, не маючи зворотного шляху по інших стержнях, і наводить тільки в своїх фаз­них обмотках відповідно фазні ЕРС: Е_АХ і е_ах, Е_ВУ і е_ву, Е_СZ і e_cz.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.2. Схема з’єднання «зірка-зірка» (Y/Y-12) і векторні діаграми ЕРС.

 

Рис.1.3. Схема з'єднання «зірка-трикутник» (Y/Δ-11) і векторні діаграми ЕРС.

 

Згідно закону Ома для магнітного кола при однаковій кількості витків обмоток W_А=W_В=W_С магнітні потоки фази А , фази В і фази С будуть залежати від магнітного опору магнітного кола (l – довжина магнітного кола; S – переріз осердя; μ_а – абсолютна магнітна проникність).

Магнітний опір для потоків Ф_А і Ф_С більший, ніж для пото­ку Фв, оскільки довжина шляху магнітних ліній різна. Тому система потоків і струмів у трифазному трансформаторі такої конструкції трохи несиметрична. Для зменшення магнітної несиметрії магнітопроводу переріз ярем роблять на 10-15% біль­шим від перерізу стержнів, що зменшує магнітний опір потокам Ф_А і Ф_С.

Для отримання однакових потоків у всіх частинах осердя, а значить і ЕРС у трьох фазних обмотках, збільшення намагнічуючого струму в цих фазних обмотках.