Классификация трансформаторов

Лекция 5

Трансформаторы

План лекции:

1. Классификация трансформаторов.

2. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

3. Схема замещения и уравнения состояния трансформатора.

4. Экспериментальное определение параметров схемы замещения.

4.1.Опыты холостого хода.

4.2.Опыт короткого замыкания.

5. Работа трансформатора под нагрузкой.

6. Внешняя характеристика трансформатора.

7. Особенности трехфазных трансформаторов и автотрансформаторов.

7.1. Трехфазные трансформаторы.

7.2. Автотрансформаторы.

 

 

29 августа 1831 года Фарадей описал в своем дневнике опыт, вошедший впоследствии во все учебники физики. На железное кольцо диаметром 15 см и толщиной 2 см экспериментатор намотал отдельно два провода длиной 15 м и 18 м. Когда по одной из обмоток шел ток, стрелки гальванометра на зажимах другой отклонялись!

Нехитрое устройство ученый назвал «индукционной катушкой». При включении батареи ток (само собой разумеется, постоянный) постепенно нарастал в первичной обмотке. В железном кольце наводился магнитный поток, величина которого также менялась. Во вторичной обмотке возникало напряжение. Как только магнитный поток достигал предельного значения, «вторичный» ток исчезал.

Для того чтобы катушка действовала, нужно все время включать и выключать источник питания (вручную — рубильником или механически — коммутатором).

Американец Генри обмотал провод шелковой ниткой — родилась изоляция.

Француз Фуко попробовал вращать железные болванки в магнитном поле — и удивился: они нагревались. Ученый понял причину — сказывались токи, которые рождались в переменном магнитном поле. Чтобы ограничить путь вихревых токов Фуко, Эптон, сотрудник Эдисона, предложил делать железный сердечник сборным — из отдельных листов.

В 1872 году профессор Столетов провел фундаментальное исследование по намагниченности мягкого железа, а несколько позже англичанин сэр Джеймс Альфред Юинг представил Королевскому обществу доклад о потерях энергии при перемагничивании стали. В 1895 году он был награжден золотой медалью Королевского общества за изучение магнитной индукции в железе и других металлах и вошел в историю как открыватель явления гистерезиса.

1884 год — братья Гопкинсоны замкнули сердечник.

Прежде магнитный поток шел по стальному пруту, а частично — из северного полюса в южный — по воздуху. Сопротивление воздуха в 8 тыс. раз больше, чем у железа. Получить заметное напряжение на вторичной обмотке было под силу только большим токам, проходящим по многим виткам. Если сердечник сделать кольцом или рамкой, то сопротивление снижается до минимума.

1886 год — вновь братья Гопкинсоны. Они научились рассчитывать магнитные цепи по закону Ома. Поначалу им пришлось доказать, что процессы в электрических и магнитных цепях можно описывать похожими формулами.

1889 год — швед Свинберн предложил охлаждать сердечник и обмотки трансформатора минеральным маслом, которое одновременно играет роль изоляции. Сегодня идею Свинберна развили: в большой бак опускают стальной магнитопровод с обмотками, бак закрывают крышкой и после сушки, нагрева, вакуумирования, заполнения инертным азотом и других операций заливают в него масло.

Первый трансформатор был создан в 80-х годах XIX столетия.

Слайд № 2, 3

  

Токи. Вплоть до 150 тыс. Ампер. Именно такими токами питаются печи для плавки цветных металлов. При авариях всплески тока достигают 300— 500 тыс. а. (Мощность трансформатора на больших печах достигает 180 МВт, первичное напряжение 6-35 кВ, на высокомощных печах до 110 кВ, вторичное 50-300В, а в современных печах до 1200 В).

Потери. Часть энергии теряется в обмотках, часть — на нагревание сердечника (вихревые токи в железе и потери на гистерезис). Быстрое изменение электрических и магнитных полей во времени (50 Гц – 50 раз в секунду) заставляет по-разному ориентироваться молекулы или заряды в изоляции: энергия поглощается маслом, бакелитовыми цилиндрами, бумагой, картоном и т.д.

Некоторую мощность забирают насосы для прокачки трансформаторного горячего масла через радиаторы.

И все-таки в целом потери ничтожны: в одной из самых крупных конструкций трансформатора на 630 тыс. кВт «застревает» всего лишь 0,35% мощности. Мало какие устройства могут похвастать к.п.д. больше 99,65%.

Полная мощность. Самые крупные трансформаторы «прикрепляются» к самым мощным генераторам, поэтому их мощности совпадают. Сегодня есть энергоблоки на 300, 500, 800 тыс. кВт, завтра эти цифры возрастут до 1 —1,5 млн., а то и больше.

Самый мощный трансформатор. 1989г. Самый мощный трансформатор изготовлен австрийской компанией «Элин» и предназначен для ТЭЦ в штате Огайо. Eгo мощность 975 мегавольт-ампер, он должен повышать напряжение, вырабатываемое генераторами —25 тысяч вольт до 345 тысяч вольт.

Восемь самых больших в мире однофазных трансформаторов имеют мощность 1,5 млн. кВА. Трансформаторы принадлежат американской компании «Электрик пауэр сервис». 5 из них понижают напряжение с 765 до 345 кВ.

Слайд № 4

В 2007 году изготовлен самый мощный трансформатор, выпущенный в России. Трансформатор мощностью 630 МВА рассчитан на напряжение 330 кВ. Его вес – около 400 тонн. Он установлен на Курской АЭС.

2016 год. Трансформатор ABB на напряжение в 1,2 миллиона Вольт, является самым высоковольтным трансформатором переменного тока в мире на сегодняшний день. Изготовлен в Индии по заказу индийской энергетической компании. Он установлен на индийской Национальной испытательной станции в Центральной Индии. Этот трансформатор будет обеспечивать передачу энергии по первой индийской 1200-кВ энергетической сети, которая будет обеспечивать возрастающие энергетические потребности Индии, с которыми уже не справляются существующие сети, работающие под напряжением в 400 и 800 кВ.

Слайд № 5

Габариты, например, трансформаторов канадской электростанции Бушервиль (изготовленных западногерманской фирмой «Сименс») таковы: высота 10,5 м, диаметр по сечению 30–40 м.

Вес этих же трансформаторов – 188 т. При перевозке с них снимают радиаторы, расширители и выливают масло, и все равно железнодорожникам приходится решать сложную задачу: 135 т – не шутка! Но подобный груз уже никого не удивляет: на атомной электростанции Обрихэйм стоит трансформаторная группа мощностью 300 тыс. кВт. Главный «преобразователь» весит 208 т, регулировочный — 101 т.

Для доставки этой группы на место потребовалась 40-метровая железнодорожная платформа!

Крупный трансформатор действует 94 дня из 100. Средняя загрузка — около 55—65% от расчетной. Это очень расточительно, но ничего не поделаешь: выйдет из строя одно устройство, его дублер довольно быстро буквально «сгорит на работе». Если, например, конструкцию перегрузить на 40%, то за две недели ее изоляция износится, как за год нормальной службы.

Слайд № 6

    Электрические генераторы электростанций вырабатывают электрическую энергию напряжением от 6,3 до 24 кВ в зависимости от типа генераторов.

Слайд № 7

Передача электрической энергии большой мощности на большие расстояния технически возможна и экономически целесообразна при малых сечениях проводов линии передачи и малых потерях электрической энергии в них. Сечение проводов и потери мощности в них определяются величиной тока, а ток при заданной мощности S, как известно, зависит от напряжения U:

.

    Как видно из формулы, чем выше напряжение, тем меньше ток, а, следовательно, меньше сечение проводов и потери мощности в них. Поэтому передача электроэнергии в энергетической системе на большие расстояния с целью снижения потерь и капитальных затрат на построение электрических сетей производится на повышенном напряжении. Для этого электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, перед передачей в энергосистему повышается до напряжения 110-750 кВ на повышающих подстанциях.

Есть трансформаторы повышающие и понижающие.

Слайд № 8, 9

  

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные (Слайд № 8) и трехфазные (Слайд № 9).

Слайд № 10, 11

             

Различают трансформаторы стержневого (Слайд № 10) и броневого (Слайд № 11) типов. Трансформатор броневого типа хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений.

По виду охлаждения – с воздушным или масляным охлаждением. Если трансформатор с масляным охлаждением, то устанавливают бачок-расширитель, куда попадает нагретое масло (Слайд № 9).

Трансформаторы, используемые в технике связи, подразделяют на низко- и высокочастотные.

В соответствии с назначением различают:

– силовые трансформаторы, которые используются в магистральных распределительных сетях и системах электроснабжения предприятий для распределения электроэнергии. Номинальные мощности силовых трансформаторов от 25 до 300-500 кВА, напряжение от 220 В до 750 кВ (Слайды № 9);

Слайд № 12, 13

     

– специальные трансформаторы используют в специальных электротехнических устройствах: сварочные трансформаторы для различных видов сварки (Слайд № 12); импульсные трансформаторы для преобразования импульсных силовых и информационных сигналов (Слайд № 13); печные трансформаторы для питания дуговых печей (Слайд № 13);

Слайд № 14

– измерительные трансформаторы используются в качестве элементов для измерения больших по уровню напряжений и токов (Слайд № 14).

Таким образом, расчетные мощности трансформаторов различны – от долей вольт-ампера до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты – от единиц герц до сотен килогерц.

Слайд № 15

Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. Часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, называют стержнями. Части магнитопровода, замыкающие стержни, называют ярмом. Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготовляют из магнитомягкого материала – трансформаторной стали, которая имеет узкую петлю гистерезиса. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление. Сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком (цапоновым, им еще красят лампочки в гирляндах) или специальной бумагой.

Следует отметить, что в маломощных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах при частотах свыше 20кГц, магнитопроводом является воздушная среда, так как в таких случаях велики вихревые токи, и магнитопровод практически не намагничивается.

На слайде № 15 слева внизу показаны основные условные графические обозначения однофазного и трехфазного трансформаторов.

Слайд № 16

Обмотка трансформатора, присоединенная к источнику питания (сеть электроснабжения, генератор), называется первичной. Соответственно первичными называются все величины, относящиеся к этой обмотке – число витков, напряжение, ток и т.д. все они обозначаются с индексом 1: w ₁, u ₁, i ₁. Обмотка, к которой подключается приемник (потребитель электроэнергии), и относящиеся к ней величины называются вторичными (индекс 2).

Идеальные трансформаторы не рассеивают мощность: мощность в первичной обмотке идеального трансформатора всегда равна мощности во вторичной обмотке. На практике трансформаторы рассеивают небольшой процент приложенной мощности в качестве потерь, вызванных

– током намагничивания сердечника;

– потерями гистерезиса и вихревых токов (потерями в стали).

Обычно потери составляют от 2% до 5% от величины первичного тока.

Слайд № 17

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора сводится к следующему: первичная и вторичная обмотки находятся на общем сердечнике и подвергаются действию одного и того же электромагнитного поля. Переменное напряжение u₁, приложенное к первичной обмотке w ₁, вызывает переменный первичный ток i ₁. В железном сердечнике трансформатора возникает переменный магнитный поток Ф ₀, который пронизывает витки первичной и вторичной обмоток w ₁ и w ₂, индуцирует в них э.д.с. е ₁ и е ₂. Под действием е ₂ во вторичной обмотке, замкнутой на нагрузку Z _н, появится ток i ₂, направление которого совпадает с направлением е ₂. Так как магнитодвижущие силы первичной w ₁ i ₁ и вторичной w ₂ i ₂ обмоток направлены встречно, то результирующая МДС и поток в магнитопроводе будет определяться разностью МДС:                       w ₁ i ₁ – w ₂ i ₂ = i ₁₀ w ₁.

В зависимости от значения сопротивления нагрузки различают три режима работы трансформатора:

1. Режим холостого хода – Z _н = ∞;

2. Режим нагрузки – 0 < Z _н <∞;

3. Режим короткого замыкания – Z _н = 0.

3. Схема замещения и уравнения состояния трансформатора

Слайд № 18

    На С лайде № 18 приведена электрическая схема однофазного трансформатора.

Здесь Е ₁ и Е ₂ – э.д.с., индуцируемые в первичной и вторичной обмотках потоком Ф ₀; Х ₁ и Х ₂ – индуктивные сопротивления, характеризующие действие потоков рассеяния; R ₁ и R ₂ – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток, Z _н – сопротивление нагрузки.

Для исследования режимов работы трансформатора, расчета сетей магнитную связь между первичным и вторичным контурами заменяют электрической связью. Но непосредственное объединение этих цепей в общую электрическую цепь без магнитной связи невозможно. Это объясняется тем, что при разных напряжениях U ₁ ≠ U ₂ токи одной и той же величины в этих цепях энергетически не эквивалентны друг другу: току в 1 А первичной цепи соответствует мощность 1 х U ₁ ВА, а ток в 1 А вторичной цепи обеспечивает получение мощности 1 х U ₂ ВА. Поэтому требуется приведение первичной и вторичной цепей к одному уровню напряжения. Удобным оказывается приведение вторичной цепи трансформатора к первичной.

Таким образом, соединение перемычками ac и bd в схеме на слайде 18 возможно, если U_ab = U_cd. Этому требованию удовлетворяет условие , где  – приведенная э.д.с.

    Эквивалентность энергетических соотношений в трансформаторе и его схема замещения не будут нарушены, если полная мощность S, активная мощность Р и реактивная Q, а также мощность в нагрузке S_н останутся неизменными:

Подставляя эти равенства, имеем:

.

Эти параметры называются приведенными (к числу витков w₁).

Слайд № 19

Полная система уравнений электрического и магнитного состояния трансформатора с учетом приведения вторичной обмотки к первичной по числу витком и  имеет такой вид:

.

Эти уравнения описывают электромагнитные процессы в двухконтурной схеме, которая носит название эквивалентной схемы замещения трансформатора.

Слайд № 20

На Слайде № 20 вверху представлена Т-образная схема замещения трансформатора.

В тех случаях, когда  невелико по сравнению с U₁, полагают U₁  ≈ U, схема замещения упрощается (Слайд № 20 справа внизу). 

Такая схема называется Г-образной. Здесь ; .

Слайд № 21

В режимах работы трансформатора, близких к короткому замыканию, когда , из Г-образной схемы исключается ветвь R_м – Х_м (Слайд № 21).

Эквивалентные схемы замещения трансформатора используются для анализа и расчетов режимов его работы, поэтому их называют расчетными схемами замещения трансформатора.

Слайд № 22

    Для обеспечения продолжительной работы силового трансформатора под нагрузкой заводом-изготовителем задаются параметры, то есть паспортные данные трансформатора:

    – полная мощность S _н,

    – коэффициент трансформации k,

    – напряжения U _1н и U _2н,

    – напряжение короткого замыкания U _кн,

    – токи I _1н и I _2н,

    – ток холостого хода I _10н,

    – частота f _н,

    – режим работы (продолжительный или кратковременный),

    – потери в стали магнитопровода Δ Р _0н и в обмотках Δ Р _мн и др.

    В процессе длительной эксплуатации, особенно при токовых перегрузках, колебаниях первичного напряжения и частоты, повышенной влажности и температуры окружающей среды свойства изоляции ухудшаются, повышаются потери энергии.

    Поэтому необходимо периодически проверять основные параметры трансформатора, к которым относятся U _кн и I _10н, характеризующие потери энергии в обмотках, изоляции и стали магнитопровода.

    Для этой цели проводятся два опыта: опыт холостого хода и опыт короткого замыкания. На основании этих опытов определяются также параметры схем замещения.

Опыт холостого хода

Слайд № 23

В режиме холостого хода (х.х.) вторичная обмотка трансформатора разомкнута, ток   I ₂ = 0. Магнитный поток в магнитопроводе создается током первичной обмотки, называемым током холостого хода, I₁₀. Переменный магнитный поток Ф ₀ = Ф _msin ωt, сцепленный с витками обмоток, наводит в них э.д.с. Таким образом, на основании закона электромагнитной индукции можно записать:

;    .

Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения для действующих значений э.д.с., индуцируемых в обмотке, можно записать в виде:

Е ₁ = 4,44 fw ₁ Ф _0m

Е ₂ = 4,44 fw ₂ Ф _0m,

где f – частота переменного тока, w ₁, w ₂ – число витков обмоток.

Поделив одно равенство на другое, получим: .

    Отношение действующих значений э.д.с. вторичной и первичной обмоток, а также чисел витков обмоток трансформатора называют коэффициентом трансформации k.

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее  э.д.с.: U ₂ = E ₂, а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается э.д.с. первичной обмотки U ≈ E ₁.

Следовательно, можно написать, что k = E ₁/ E ₂ ≈ U ₁/ U ₂.

Таким образом, коэффициент трансформации может быть определен на основании напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора. Отношение напряжений на входе и выходе ненагруженного трансформатора указывается в его паспорте.

Кроме того, k = I ₂/ I ₁ ≈ U ₁/ U ₂ = w ₁/ w ₂ – отношение токов первичной и вторичной обмоток приближенно равно коэффициенту трансформации, поэтому ток I ₂ во столько раз увеличивается (уменьшается), во сколько раз уменьшается (увеличивается) U ₂.

Если k >1, то трансформатор понижающий, если k <1, то трансформатор повышающий.

Если по первичной обмотке пропускать постоянный ток (который, как вы знаете, не изменяется во времени), то магнитный поток, созданный им, будет также постоянным, и во вторичной обмотке не будет индуцироваться э.д.с. Таким образом, трансформировать постоянный ток при помощи описанного трансформатора нельзя.

Рассмотрим примеры.

Пример 1. Первичная обмотка трансформатора, включенная в цепь с напряжением 120 В, имеет 1000 витков. Определить, какое напряжение будет во вторичной обмотке, если она имеет 100 витков.

Решение: Так как , то подставляя известные значения, получим:

 или U ₂ =

Пример 2. Первичная обмотка трансформатора рассчитана на напряжение 110 В, а его коэффициент трансформации равен 1:2. Определить напряжение во вторичной обмотке.

Решение: Трансформатор в данном примере повышающий, так как число витков вторичной обмотки в два раза (1:2) больше вторичной. Следовательно, напряжение во вторичной обмотке будет равно:

U ₂ = U ₁ ∙2 = 110∙2 = 220 В.

Вследствие перемагничивания магнитопровода в нем возникают потери мощности, которые называют потерями холостого хода. Можно считать, что мощность Р ₀, потребляемая из сети трансформатором в режиме х.х., идет в основном на покрытие потерь в магнитопроводе, так как потери в обмотке R ₁ I ²₁₀ сравнительно малы. Ток холостого хода I ₁₀ содержит активную и реактивную составляющие

,

где I _10а = Р ₀/ U ₁.

Схема включения измерительных приборов при опыте холостого хода представлена на Слайде № 23.

Слайд № 24

    В опыте х.х. определяются:

    – потери в стали магнитопровода Δ Р _0н,

    – коэффициент трансформации k = U ₁/ U ₂,

    – ток холостого хода I _10н,

а также параметры схемы замещения R _м, Х _м и cos φ _0н по формулам:

    – ;

    – ;

    – ;

    – .

    При расчете предполагается, что потери в обмотке невелики, так как I _10н составляет 5–10% от I _1н.

Слайд № 25

На слайде 25 представлены векторные диаграммы трансформатора в режиме холостого хода (слева подробная векторная диаграмма, справа – приближенная).

 

Опыт короткого замыкания

Слайд № 26

    При опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, а первичная обмотка включается через регулирующее устройство на такое пониженное напряжение U _1к, при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания. В опыте определяются:

    – потери короткого замыкания Δ Р _кН,

    – напряжение короткого замыкания U _кн,

подсчитывают параметры схемы замещения по формулам:

    ;

    ;

    ;

    ,

где  и  – активное и индуктивное сопротивления короткого замыкания трансформатора.

    При расчете предполагают, что при малом напряжении магнитный поток и намагничивающий ток малы, то есть I ₁₀≈0. Поэтому можно считать, что магнитодвижущая сила первичной и вторичной обмоток трансформатора равны

или

и, следовательно, ваттметр измеряет потери мощности только в обмотках.

    Напряжение короткого замыкания и его активная и реактивная составляющие выражаются обычно в процентах:

U _к% = (U _к/ U _1н)∙100

    По значению U _к можно рассчитать ток короткого замыкания I _1к при аварийном режиме

I _1к = U _1н/ Z _к = I _1н∙(U _к/ U _кн) = I _1н∙(100/ U _к).

    В переходном процессе ударный ток к.з. I _уд будет больше тока к.з. в установившемся режиме в k _уд раза: I _уд = k _уд I _1к, где k _уд ≤ 2.

    Этот ток опасен для трансформаторов из-за резкого возрастания механического взаимодействия между проводами. Сила взаимодействия между проводами пропорциональна квадрату тока и при к.з. возрастает в сотни раз. При коротком замыкании обмотки сильно перегреваются. Поэтому при проектировании трансформаторы дополнительно рассчитывают на теплостойкость и механическую прочность.

    Очень опасны замыкания одного или нескольких витков, так как ток в этих витках I _вк во столько раз больше тока короткого замыкания, во сколько раз больше число витков обмотки w ₁ числа короткозамкнутых витков w:

I _вк = I _1к∙(w ₁/ w).

 

Слайд № 27

    При работе трансформатора в режиме нагрузки (Z_н ≠ 0) во вторичной цепи под воздействием  появится ток . Основной магнитный поток Ф ₀ создается совместным действием МДС первичной и вторичной обмоток.

Результирующая МДС F _р равна их геометрической сумме.

    Справа на слайде № 27 приведена векторная диаграмма, соответствующая этому уравнению.

Кроме основного потока Ф ₀ обмотки трансформатора охватываются и потоками рассеивания Ф _1σ и Ф _2σ, которые создают в обмотках э.д.с. самоиндукции, характеризуемые соответствующими индуктивными сопротивлениями Х ₁ и Х ₂:

 и .

    С учетом активного сопротивления обмоток уравнения электрического состояния первичной и вторичной цепей имеют вид:

,

или

Слайд № 28

    Рабочие свойства трансформатора характеризуются зависимостью напряжения на нагрузке U ₂ и к.п.д. η от тока I ₂.

    Зависимость U ₂ = f (I ₂) при различном характере нагрузки (активной, реактивной, емкостной) называется внешней характеристикой трансформатора.

    Внешняя характеристика трансформатора U ₂ = f (I ₂) и зависимость     η = f (I ₂) могут быть получены опытным путем или рассчитаны по эквивалентной схеме замещения. В последнем случае уравнение электрического состояния, полученное из Г-образной схемы замещения, имеет вид:

.

    Вид зависимости U ₂ = f (I ₂) определяется характером нагрузки.

Слайд № 28, слева вверху

    Так, при емкостном характере нагрузки (cos φ < 0) с ростом тока I ₂ напряжение U ₂ возрастает, а при индуктивном характере (cos φ > 0) падает.

    Коэффициент полезного действия трансформатора η равен отношению полезной активной мощности Р ₂ ко всей активной мощности, поступающей из сети:

η = Р ₂/ P ₁ = P ₂ /(P ₂+Δ P _c +Δ P _м),

где Δ P _c – потери в стали магнитопровода;

Δ P _м – потери мощности в обмотках.

    Полезная мощность трансформатора при любом характере нагрузки

Р ₂ = U ₂ I ₂cos φ ₂ = βS _нcos φ ₂,

где S _н – полная мощность трансформатора, В∙А;

β = I ₂/ I _2н – коэффициент нагрузки.

    Потери в стали Δ P _c не зависят от нагрузки и равны потерям холостого хода. Потери в обмотках Δ P _м пропорциональны квадрату тока

    После подстановки выражение для η будет иметь вид:

η = (β S _нcos φ ₂)/(βS _нcos φ ₂+ Δ Р _с + Δ Р _мн β ²)

    Зависимости ΔР_м, ΔР_с и η от коэффициента нагрузки β представлены на слайде (рис. 28).

Слайд № 28 справа внизу

    Зависимость η = f (β) имеет максимум. Посредством подбора параметров обмоток и магнитопровода для силовых трансформаторов выбирают η_max при β = 0,5÷0,7, так как они обычно работают большее время с недогрузкой.

Трехфазные трансформаторы

Слайд № 29

              Конструктивно трехфазные трансформаторы выполняют стержневыми. На каждом из трех стержней размещают первичную и вторичную обмотки одной фазы. Результирующие МДС каждой фазы смещены друг относительно друга на 120°, сумма векторов магнитных потоков равна нулю (). Фазы первичной и вторичной обмоток могут соединяться в звезду (Y) и треугольник (Δ). Поэтому векторы линейных напряжений  и  могут не совпадать по фазе. Сдвиг по фазе указывается группой соединения обмоток (На слайде № 29 справа).

    Так, например, на Слайде № 29 справа вверху показана группа соединения Y/Y–0, где 0 указывает на совпадение фазы А вторичной обмотки с фазой А первичной.

    На Слайде № 29 справа внизу показана схема соединения Y/Δ–11, здесь 11 указывает, что вектор напряжения  первичной обмотки опережает по фазе вторичной обмотки на 30° и совпадает с положением часовой стрелки на цифре 11.

    В системах большой мощности трехфазные трансформаторов выполняются с использованием трех однофазных трансформаторов. Это вызвано тем, что трехфазный трансформатор большой мощности имеет такие большие габариты и массу, что его невозможно транспортировать доже специальным транспортными средствами (железнодорожным, морским, речным и автотранспортом).

    Для трехфазных трансформаторов эквивалентные схемы замещения изображаются для одной фазы и имеют такой же вид, как и для однофазного трансформатора. Параметры схемы замещения определяются из опытов холостого хода и короткого замыкания.

 

Автотрансформаторы

Слайд № 30

    Преобразование переменного напряжения может быть осуществлено с использованием автотрансформатора. Автотрансформатор в конструктивном отношении подобен обычному трансформатору: имеет замкнутый стальной магнитопровод, на котором размещены две обмотки, выполненные из медного провода различного сечения. В отличие от трансформатора обмотки автотрансформатора электрически соединены.

    У понижающего трансформатора обмотка вторичного напряжения является частью обмотки первичного напряжения. У повышающего трансформатора, наоборот, обмотка первичного напряжения является частью обмотки вторичного напряжения.

    Таким образом, в автотрансформаторе, кроме магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, имеется и электрическая связь.

    Устройство и обозначение на схемах автотрансформатора представлено на Слайде № 30

    Электромагнитные процессы в автотрансформаторе ничем не отличаются от процессов в обычном трансформаторе.

    Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором является более простое устройство, меньший расход меди, более высокий к.п.д., меньшие потери в обмотках и стали магнитопровода. Это объясняется тем, что в автотрансформаторе энергия из первичной сети во вторичную частично передается по электрической связи.

    Однако автотрансформатор по сравнению с трансформатором имеет существенные недостатки: он имеет малое сопротивление короткого замыкания, что обуславливает большой ток короткого замыкания, а электрическая связь между обмотками при высоком первичном напряжении опасна при прикосновении человека к проводам в цепи нагрузки.

    Преимущество автотрансформатора тем сильнее, чем меньше коэффициент трансформации. Поэтому автотрансформаторы применяются при небольших коэффициентах трансформации (n =1÷2).

    Автотрансформаторы низкого напряжения выполняются на небольшую мощность (до 7,5 кВА). Они имеют обмотку с одним сечением провода и могут использоваться как для повышения, так и для понижения напряжения.

    В лабораториях широко применяются автотрансформаторы низкого напряжения малой мощности (ЛАТР). Они имеют плавную регулировку выходного напряжения. В этих автотрансформаторах один зажим нагрузки выполнен в виде подвижного (скользящего контакта).

 

Лекция 5

Трансформаторы

План лекции:

1. Классификация трансформаторов.

2. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

3. Схема замещения и уравнения состояния трансформатора.