Коэффициент полезного действия трансформатора

Как уже отмечалось, преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями. Коэффициент полезного действия трансформатора (к.п.д.) – это отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой:

,                                                9. 1

где P ₁– мощность, потребляемая из сети, Р ₂ – мощность, отдаваемая нагрузке. Таким образом, для определения к.п.д. трансформатора при номинальной нагрузке необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. Это измерение можно значительно упростить, включив во вторичную обмотку активную нагрузку. Тогда cos =1 (поток рассеяния невелик), и мощность Р ₂может быть вычислена по показаниям амперметра и вольтметра, включенных во вторичную цепь. Такой метод определения к.п.д. называется методом непосредственных измерений.

Коэффициент трансформации

Поскольку для идеального трансформатора в со­ответствии со вторым законом Кирхгофа u ₁ =е ₁и u ₂ =е _2,то

                                                                                                   9. 2

или

,                                     9. 3

где k – коэффициент трансформации.

Таким образом, трансформатор преобразует под­веденное к нему напряжение в соответствии с отноше­нием числа витков его обмоток. Векторная диаграмма идеального трансформатора показана на рис. 9.10.

Рис. 9. 10

 

Устройство трансформаторов

 В зависимости от конфигурации магнитной системы, трансформаторы подразделяют на стержневые (рис. 9.11, а), броневые (рис. 9.11, б), и тороидальные (рис. 9.11, в).

Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки (рис. 9.11) – 2. Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом – 1. Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.

Рис. 9. 11

 

Для уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов (рис. 9.12) собирают, из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28 – 0,5 мм для частоты 50 Гц, а, б – стержневые; в, е – тороидальные; г, д, ж – броневые

 

Рис. 9. 12

 

В трансформаторах малой мощности и микротрансформаторах используют однослойные и многослойные обмотки из круглого провода с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, которые наматывают на гильзу или на каркас из электрокартона рис. 9.13. между слоями проводов прокладывают изоляцию из кабельной бумаги или ткани.

Рис. 9. 13 1 – первичная обмотка; 2 – сердечник; 3, 4, 5, 6 – обмотки.

Трехфазные трансформаторы

Для трансформирования энергии в трехфазных системах используют либо группу из трех однофазных трансформаторов, у которых первичные и вторичные обмотки соединяются звездой или треугольником, либо один трехфазный трансформатор с общим магнитопроводом. Трехфазные трансформаторы могут иметь различные схемы соединения первичных и вторичных обмоток. Все начала первичных обмоток трансформатора обозначают большими буквами: А, В, С; начала вторичных обмоток – малыми буквами: а, b, с. Концы обмоток обозначаются соответственно: X, У, Z и х, у, z. Зажим выведенной нулевой точки при соединении звездой обозначают буквой О. Обмотки соединяют по схеме «звезда» и «треугольник», причем первичные и вторичные обмотки могут иметь как одинаковые, так и различные схемы. Если при соединении обмоток на «звезду» нулевая точка выводится, то такое соединение называют «звезда c нулевым проводом». На рис. 9.14 приведен трехфазный трансформатор при включении обмоток Y/Y.

Рис. 9. 14 Устройство трехфазного трансформатора:

А, В, С – начала первичных обмоток; а, в, с – начала вторичных обмоток;

X, Y, Z – концы первичных обмоток; x, y, z – концы вторичных обмоток;

Группы соединения обмоток

До сих пор мы считали, что при построении векторной диаграммы ЭДС Е₁ и Е₂ совпадают по фазе. Но это соответствует действительности лишь при условии намотки первичной и вторичной обмоток в одном направлении, или одноименной маркировки их выводов (рис. 9.15, а).

Рис. 9. 15 Схемы различного включения однофазного трансформатора

 

Если же в трансформаторе изменить направление намотки обмоток иди же переставить обозначение их выводов, то вектор ЭДС Е ₂ окажется сдвинутым относительно вектора Е ₁ на 180° (рис.9.15, б). Сдвиг фаз между ЭДС Е ₁ и Е ₂ принято выражать группой соединений. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0 до 360°, а кратность сдвига обычно составляет 30°, то для обозначения групп соединения выбирается ряд чисел от 1 до 12, в котором каждая единица соответствует углу сдвига 30°. В основу этого положено сравнение относительного положения векторов Е ₁ и Е ₂ с положением минутной и часовой стрелок часов. Вектор обмотки В.Н. считается минутной стрелкой, установленной на цифре 12, а вектор Н.Н. - часовой стрелкой. По положению часовой стрелки относительно минутной определяют положение вектора ЭДС обмотки Н.Н. относительно обмотки В.Н. Так, на рис. 9.16, а соединение имеет группу 12, а на рис. 9.17, б – группу 6. Таким образом, в однофазном трансформаторе имеется только две группы – 12 и 6. В трехфазном трансформаторе группу соединения определяют по углу сдвига фаз между линейными векторами ЭДС Е ₁ и Е ₂. Векторная диаграмма показывает, что сдвиг между E ₁ и Е ₂ равен нулю или 360°, т.е. (360° / 30° -- 12 группа). Если же поменять начала и концы обмоток Н.Н., то будем иметь группу 6 (рис. 6.19).

Рис. 9. 16. Схема трехфазного трансформатора группы 12

 

Рис. 9. 17. Схема трехфазного трансформатора группы 6