Принцип действия и конструктивное устройство трансформаторов

Вторая - показывает процентное содержание кремния: 0 - до 0,4%; 1 - 0,4 …0,8%; 2 - 0,8 …1,8%; 3 - 1,8 …2,8%; 4 - 2,8 …3,8%; 5 - 3,8 …4,8%

Третья - указывает на основную нормируемую характеристику: 0 - нормированы удельные потери при индукции 1,7 Т и частоте 50 Гц (Р1,7/50); то же, но при индукции 1,5 Т (Р1,5/50); 2, 6, 7 - нормированы другие параметры

Четвертая цифра означает порядковый номер модификации

Холоднокатаные анизотропные стали имеют наилучшие магнитные свойства вдоль направления прокатки и наименьшие потери, однако, при их шихтовке неизбежны большие магнитные сопротивления в стыках при поперечном направлении прокатки. Из-за наличия изоляции между листами, не весь объём сердечника заполняется сталью. Средний коэффициент заполнения шихтованных сердечников составляет 0,86 …0,93, а для витых возрастает до 0,95 …0,97.

Обмоточные провода могут быть медными и алюминиевыми. Медные обладают бесспорными техническими преимуществами (табл. 1), однако, стоимость их значительно выше. При равной проводимости алюминиевые обмотки примерно в два раза легче медных, но имеют больший объём, что влечёт за собой увеличение габаритов и веса магнитопроводов.

Таблица 1. Основные свойства меди и алюминия

Важнейшим показателем является класс нагревостойкости изоляции обмоток. В настоящее время находят применение медные и алюминиевые провода с эмалевой и волокнистой изоляцией различных классов нагревостойкости

Класс А (105оС) - эмаль-провода: ПЭВ-1, ПЭВ-2 (медные, круглые), ПЭВП (медный, прямоугольный), ПЭВА (круглый, алюминиевый); провода с волокнистой изоляцией: ПБ (медные, прямоугольные), ПЛБД, ПБД (медные, круглые и прямоугольные), АПБ, АПБУ, АПБД (алюминиевые, круглые и прямоугольные); с эмалево-волокнистой изоляцией: ПЭЛБО, ПЭЛБД, ПЭВБД (медные, круглые)

Класс Е (120оС) - круглые медные эмаль-провода относительно малых диаметров ПЭВЛ, ПЭВТ-1, ПЭВТ-2

Класс В (130оС) - медный прямоугольный эмаль-провод ПЭТВП и алюминиевый круглый ПЭТВА

Класс F (155оС) - медные эмаль-провода ПЭТ-155 (круглый), ПЭТП-155 (прямоугольный); медный провод с волокнистой асбестовой изоляцией ПДА (круглый и прямоугольный); медные круглые и прямоугольные провода со стекловолокнистой изоляцией ПСД, ПСД-1, ПСД-Л, ПСДТ, ПСДТ-Л

К группе особо нагревостойких относятся: медные круглые ПЭТ-200 (200оС) и прямоугольные ПНЭТП (220оС) эмаль-провода; медные круглые и прямоугольные провода со стекловолокнистой: ПСДКТ, ПСДКТ-Л, ПСДК, ПСДК-Л (180оС) и эмалево-волокнистой изоляцией: ПЭТКСОТ (180оС)

Электроизоляционные материалы применяются для дополнительной межслоевой изоляции, изоляции выводов, изготовления каркасов, диэлектрических панелей и других целей. Все они должны соответствовать классу нагревостойкости изоляции проводов, а также отвечать требованиям электрической и механической прочности.

Электроизоляционные картоны и лакоткани применяются в качестве дополнительной изоляции обмоток, а также для изоляции мест пайки выводов. Из электрокартона изготавливают различные прокладки, шайбы, а иногда - каркасы катушек. Лакоткани на хлопчатобумажной и шёлковой основе соответствуют классу нагревостойкости А, а стеклолакоткани при пропитке соответствующими составами - и более высоким (вплоть до Н) классам. Перегибы и изломы резко снижают их электрическую прочность. Лакоткани обладают низким коэффициентом теплопроводности, их применение в качестве сплошной изоляции приводит к ухудшению условий отвода тепла. Для повышения электрической и механической прочности изоляции обмоток и предохранения их от действия влаги готовые катушки пропитывают специальными лаками. Предварительно катушки просушивают в течение двух-трёх часов при температуре 100оС. Пропитка производится при температуре 60 …70оС, а сушка - при температуре 110 …115оС в течение 3 …8 часов. Пропиточные лаки должны соответствовать типу основной изоляции и классу её нагревостойкости. Необходимо избегать применения разбавителей, которые могут вредно действовать на изоляцию.

Конструкционные материалы - различные стали, пластмассы и другие материалы применяются для изготовления деталей трансформаторов, преимущественным назначением которых является крепление различных узлов, обеспечение их правильного взаиморасположения, восприятие и передача механических усилий, защита от внешних воздействий.

3. Принцип действия трансформатора

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный преобразователь тока и напряжения, принцип действия которого основан на явлении взаимоиндукции.

Простейший трансформатор состоит из магнитопровода и расположенных на нём первичной и вторичной обмоток. Если при разомкнутой вторичной обмотке W2 к первичной обмотке W1 приложить напряжение U1, по ней потечет ток холостого хода I0, создающий намагничивающую силу: F1 = I0W1, под действием которой в трансформаторе возникает магнитное поле. Созданный им основной магнитный поток Ф замыкается по сердечнику, поскольку магнитная проницаемость электротехнической стали несоизмеримо больше, чем у воздуха, и сцепляется со всеми витками обеих обмоток, в которых по закону электромагнитной индукции наводятся э.д.с. e1 и e2:

.

При синусоидальном изменении основного магнитного потока э.д.с. e1 и e2 могут быть определены следующим образом:

Полученные уравнения показывают, что э.д.с. отстают по фазе от вызвавшего их основного потока на угол 900, а действующие их значения будут равны:

Отношение: называется коэффициентом трансформации и играет важнейшую роль при анализе всех происходящих в трансформаторах процессов.

4. Основные уравнения трансформатора

Если к зажимам вторичной обмотки подключить нагрузку, по ней потечет ток I2 и намагничивающая сила F2 создаст поток Ф2, который согласно правилу Ленца будет направлен навстречу основному потоку Ф. Поток Ф2, пронизывая витки первичной обмотки, наводит в ней э.д.с. взаимоиндукции, под действием которой возникает ток I1, компенсирующий действие тока I2 за счет создания намагничивающей силы F1 и магнитного потока Ф1, равных по величине F2 и Ф2, но встречно направленных. В результате основной магнитный поток Ф практически не изменяется и в трансформаторе имеет место следующее уравнение равновесия магнитодвижущих сил:

В действительности помимо основного потока всегда существуют потоки рассеяния, которые замыкаются по воздуху и элементам конструкции. Обычно эти потоки невелики и составляют лишь небольшую (5 …7%) часть от основного магнитного потока. На рис. 4 приведена упрощенная картина замыкания потоков рассеяния первичной Фр1 и вторичной Фр2 обмоток. Они всегда замыкаются через значительные воздушные промежутки, поэтому индуктивности рассеяния постоянны, а между Фр1, Фр2 и соответствующими токами существует практически линейная зависимость. В этом случае для потокосцеплений первичной и вторичной обмоток можно записать следующие уравнения:

где Lр1 и Lр2 - индуктивности, обусловленные потоками рассеяния первичной и вторичной обмоток.

Приложенное к первичной обмотке напряжение u1 уравновешивается э.д.с. e1, наведенной в результате изменения потокосцепления 1 и падением напряжения на омическом сопротивлении r1 этой обмотки:

Э.д.с. вторичной обмотки e2 уравновешивается падением напряжения на омическом сопротивлении r2 и напряжением u2 на зажимах нагрузки:

Совокупность уравнений (4), (6), (7) представляет собой систему основных уравнений трансформатора. Наиболее удобна запись этой системы в комплексной форме:

,

где: x1=Lр1=2fLp1; x2=2fLр2 - индуктивные сопротивления обмоток, обусловленные потоками рассеяния.

5. Приведение параметров трансформатора к одной ступени напряжения

Использование основной системы уравнений (8) на практике неудобно, поскольку все входящие в нее величины относятся к различным уровням напряжения. Качественно упростить методы анализа происходящих процессов позволяет приведение всех параметров трансформатора к одной (обычно высшей) ступени напряжения. Для этого реальный трансформатор заменяют так называемым приведенным. В приведенном трансформаторе числа витков в первичной и вторичной обмотках будут равны: W1 = W'2 = kт W2. Физические процессы при этом должны полностью соответствовать реально происходящим, поэтому, осуществляя операцию приведения параметров, необходимо соблюдать следующие правила:

После приведения должен остаться неизменным соответствующий магнитный поток и вызвавшая его намагничивающая сила: I2W2 = I'2W'2 = I'2W1, а приведенный ток вторичной обмотки равен:

.

Должны остаться неизменными полная мощность нагрузки и электромагнитная мощность: U2I2 = U'2I'2; E2I2 = E'2I'2, откуда приведенные вторичные напряжение и э.д.с. равны:

.

Должны остаться неизменными потери мощности во вторичной обмотке: I'22r'2 = I22r2, откуда находим формулу приведения активного сопротивления:

.

Должен остаться неизменным баланс активной и реактивной мощностей и, соответственно, отношение активного сопротивления к реактивному: r'2/x'2 = r2/x2, откуда приведенное индуктивное сопротивление будет равно:

.

Система основных уравнений трансформатора после операции приведения и преобразований принимает вид:

.

Достоинства этой системы заключаются в том, что по ней можно строить векторные диаграммы для различных режимов работы трансформаторов и составлять электрические схемы замещения с гальванической связью обмоток.

Размещено на Allbest.ru