Трансформаторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

20

ТРАНСФОРМАТОРЫ

1. Назначение и принцип действия трансформатора

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух обмоток, у которых есть общий магнитопровод и которые электрически изолированы друг от друга.

Обмотки размещаются на магнитопроводе, собранном из листов электротехнической стали (рис. 9.1). Магнитопровод отсутствует лишь в воздушных трансформаторах, которые применяются при частотах около 20 кГц и выше, когда магнитопровод почти не намагничивается из-за увеличения вихревых токов.

Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания, называется первичной, а обмотка, к которой подключается потребитель электроэнергии, называется вторичной. Параметры, относящиеся к первичной обмотке, обозначаются индексом 1, например, , , , относящиеся к вторичной обмотке - обозначают с индексом 2.

Различают однофазные и трехфазные трансформаторы.

На щитке трансформатора указывают его номинальное напряжение, полную мощность, токи, напряжение короткого замыкания, число фаз, частоту, схему соединения, режим работы и способ охлаждения.

В зависимости от напряжения различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН). По способу охлаждения трансформаторы делят на сухие и масляные. На рис. 9.2 показан трехфазный трансформатор масляный с трубчатым баком, где 1 - магнитопровод; 2 - обмотка НН; 3 - обмотка ВН; 4 - выводы обмотки ВН; 5 - выводы обмотки НН; 6 - трубчатый бак; 7 - кран для заполнения маслом; 8 - выхлопная труба для газов; 9 - газовые реле; 10 - расширитель масла; 11 - кран для спуска масла.

Если первичное напряжение больше вторичного , трансформатор называют понижающим, если - повышающим.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Под воздействием переменного тока первичная обмотка создает в магнитопроводе переменный магнитный поток

(9.1)

Рис. 9.2

который пронизывает обмотки и индуктирует в них ЭДС

(9.2)

где - амплитудные значения ЭДС.

Разделив максимальные значения ЭДС на , получим действующее значение ЭДС в обмотках

; . (9.3)

Из (9.2) и (9.3) следует, что ЭДС обмоток отстают по фазе от магнитного потока на 90°, и пропорциональны числу витков.

Соотношение ЭДС обмоток называется коэффициентом трансформации

. (9.4)

Если , то вторичная ЭДС меньше первичной и трансформатор называется понижающим, при - трансформатор повышающий.

Применяют и другое определение для коэффициента трансформации: отношение номинального высшего напряжения трансформатора к номинальному низшему напряжению. В этом случае коэффициент трансформации всегда больше единицы: .

Так как во вторичной обмотке индуктируется ЭДС, то при подключении нагрузки к ее выводам в контуре обмотка-нагрузка протекает ток и выделяется электрическая энергия. Таким образом, с помощью магнитной связи поток электрической энергии передается из первичной цепи во вторичную. В этом и состоит принцип работы трансформаторов.

Заметим, что положительные направления напряжения на рис. 9.1 показаны стрелкой от точки с высшим потенциалом к точке с низшим потенциалом, первичная обмотка рассматривается как приемник, вторичная - как источник электрической энергии.

2. Основные соотношения в идеальном трансформаторе

Идеальным трансформатором называют трансформатор, у которого активное сопротивление обмоток равно нулю, отсутствуют магнитные потоки рассеяния, потери мощности в магнитопроводе равны нулю. При таких допущениях схема трансформатора и векторная диаграмма показаны на рис. 9.3. В режиме холостого хода ток вторичной обмотки равен нулю: , а ток и МДС первичной обмотки равны и .

Уравнение электрического равновесия выражается равенствами

или (9.5)

В режиме нагрузки ток вторичной обмотки оказывает размагничивающее действие и геометрическая сумма МДС обмоток равна результирующей МДС (рис. 9.3 б)

или . (9.6)

Соотношение (9.5) справедливо как для холостого тока, так и при нагрузке. Следовательно, при магнитный поток и результирующая МДС (9.6) также постоянна () независимо от нагрузки. Так как , то возрастающий ток нагрузки автоматически приводит к увеличению тока в первичной цепи трансформатора за счет ЭДС самоиндукции первичной обмотки.

Так как ток холостого хода мал и не превышает 5 % от номинального, то

Отсюда

.

Следовательно, в идеальном трансформаторе отношение токов обмоток обратно пропорционально их напряжениям. Это соотношение справедливо при нагрузках, близких к номинальным и неприменимо в режиме, близком к холостому ходу.

3. Векторная диаграмма трансформатора

В реальном трансформаторе в отличие от идеального учитываются активные сопротивления обмоток, магнитные потоки рассеяния обмоток и потери мощности в стали. На рис. 9.4 активные сопротивления и и индуктивные

Рис. 9.4

сопротивления и от потоков рассеяния выделены отдельно, а обмотки показаны идеальными без этих сопротивлений. Согласно второму закону Кирхгофа уравнения для первичных и вторичных цепей в комплексной форме имеют вид

(9.7)

Этим уравнениям соответствует векторная диаграмма (рис. 9.5), построенная для активно-индуктивной нагрузки . Из анализа диаграммы при переменной нагрузке следует, что с увеличением вторичного тока увеличиваются ток первичной обмотки и коэффициент мощности.



4. Схема замещения трансформатора

Электрические цепи с трансформаторами сложно рассчитывать из-за магнитной связи между обмотками. Поэтому трансформатор представляют схемой замещения, в которой магнитная связь заменяется электрической цепью. С этой целью обе обмотки «приводят» к одному числу витков, обычно к числу витков первичной обмотки. Приведенные параметры вторичной цепи обозначают буквами со штрихом.

Применение схемы замещения трансформатора предполагает, что мощности:

передаваемая во вторичную цепь

(9.8)

отдаваемая приемнику

(9.9)

затрачиваемая на нагрев обмотки

(9.10)

не изменяются, а углы сдвига и и соотношение между индуктивными и активными сопротивлениями обмоток

. (9.11)

Так как , то

. (9.12)

Из (9.8) и (9.12) следует

. (9.13)

Совместное решение (9.10, 9.11, 9.12) дает

. (9.14)

Равенство ЭДС первичной и вторичной обмоток позволяет объединить их электрические цепи в одну цепь (рис. 9.6). Этот участок цепи называют ветвью намагничивания. В ней - активное сопротивление, учитывающее

Рис. 9.6

потери мощности в стали, - реактивное сопротивление, обусловленное основным магнитным потоком. В силу равенства на векторной диаграмме (рис. 9.7) показаны не МДС, а токи

. (9.15)



Если пренебречь током холостого хода и удалить из схемы (рис. 9.6) ветвь намагничивания, то получим упрощенную схему замещения (рис. 9.8 а), а с учетом и - схему (рис. 9.8 б).

Упрощенной схеме замещения соответствует векторная диаграмма на рис. 9.9. Такую схему используют при нагрузке, близкой к номинальной.

5. Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора

Параметры схемы замещения можно определить по опытам холостого хода и короткого замыкания.

При опыте холостого хода (рис. 9.10 а) вторичная обмотка разомкнута, а к первичной обмотке подводится номинальное напряжение. В первичной цепи измеряют напряжение ,ток , мощность . Так как ток холостого хода мал, то потерями мощности в обмотках можно пренебречь и считать показание ваттметра равным потерям в магнитной цепи.

По данным опыта определяют полное, активное и индуктивное сопротивление холостого хода

.

а) б)

Рис. 9.10

При этом сопротивления холостого хода, примерно, равны сопротивлениям намагничивающей ветви

.

При опыте короткого замыкания (рис. 9.10 б) вторичная обмотка замкнута накоротко через амперметр, к первичной подводится такое напряжение, чтобы во вторичной обмотке протекал номинальный ток. В первичной цепи измеряются напряжение , ток , мощность . Подводимое напряжение мало, поэтому мал и магнитный поток. Значит, магнитными потерями можно пренебречь и считать показание ваттметра равным электрическим потерям в обмотках. Так как и , ветвь намагничивания можно не учитывать и использовать упрощенную схему замещения (рис. 9.8 б).

По данным опыта короткого замыкания определяют параметры

Считают, что

Опыт короткого замыкания позволяет определить важный параметр трансформатора - напряжение короткого замыкания. Это выраженное в процентах напряжение на первичной обмотке, при котором в накоротко замкнутой вторичной обмотке протекает номинальный ток

. (9.16)

Для силовых трансформаторов напряжение U_к = 5…8%.

Согласно схеме замещения (рис. 9.8)

напряжение короткого замыкания

(9.17)

активная составляющая напряжения короткого замыкания

(9.18)

реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

(9.19)

Эти напряжений , , связаны между собой соотношением

. (9.20)

6. Внешняя характеристика трансформатора

Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость между вторичным напряжением и током нагрузки при заданном первичном напряжении

при .

Изменение вторичного напряжения определяют в процентах

. (9.21)

Если ввести понятие коэффициента нагрузки трансформатора , то с учетом векторной диаграммы (рис. 9.9) и соотношений (9.18) и (9.19) выражение (9.21) можно привести к виду

(9.22)

или . (9.23)

По известному значению определяют вторичное напряжение

(9.24)

Пример 9.1. Известны номинальные данные однофазного трансформатора: мощность = 5 кВА, первичное напряжение = 400 В, вторичное напряжение = 120 В, а также мощность потерь при холостом ходе = 50 Вт, при коротком замыкании = 150 Вт и напряжение короткого замыкания % = 6,5 %.

Определить ток холостого хода, коэффициент трансформации, параметры схемы замещения, активную и реактивную составляющие напряжения короткого замыкания, ток короткого замыкания, напряжение и ток для нагрузки с параметрами = 4 Ом, = 0,8.

Указания: 1) принять ток холостого хода равным 8 % от номинального значения; и ; 2) принять потери мощности в обмотках при коротком замыкании одинаковыми.

Решение. Номинальный ток первичной обмотки

ток холостого хода

коэффициент трансформации

Параметры схемы замещения

Ом;

Ом;

Ом.

В режиме короткого замыкания

Сопротивления короткого замыкания

Ом;

Ом;

Ом.

С учетом указания 2

Ом;

Ом.

Из (9.18) и (9.19) следует

Ток короткого замыкания

на первичной стороне

или

на вторичной стороне

Для определения напряжения и тока при заданных параметрах нагрузки рассчитаем ток

где Ом;

Ом.

Коэффициент нагрузки

Изменение вторичного напряжения по (9.23)

%.

Вторичное напряжение и вторичный ток

7. Мощность потерь и КПД трансформатора

Баланс мощности трансформатора выражается равенством

где - активная мощность, подведенная к первичной обмотке; - мощность магнитных потерь; - мощность электрических потерь в обмотках.

Так как , то мощность магнитных потерь не изменяется и при номинальном напряжении составляет 1…2 % от номинальной мощности. Мощность потерь в обмотках зависит от нагрузки, так как .

КПД трансформатора

Так как , при опытах холостого хода и короткого замыкания было получено

;

. (9.25)

Расчет по (9.25) показывает, что с увеличением нагрузки КПД сначала быстро возрастает, при нагрузке 50…70 % от номинальной достигает максимального значения и затем уменьшается. Максимальный КПД силовых трансформаторов достигает 99,5 %.

Пример 9.2. Для трансформатора, параметры которого приведены в примере 9.1, определить КПД при = 0,8 и изменении нагрузки от холостого хода до номинальной.

Решение. Согласно (9.25)

Задаваясь различными коэффициентами нагрузки, получим

, о.е.	0,25	0,5	0,75	1,0
, о.е.	0,944	0,958	0,957	0,952

8. Трехфазные трансформаторы

трансформатор трехфазный схема замещение

Преобразование электрической энергии в трехфазной цепи осуществляют с помощью трехфазных трансформаторов, которые могут быть выполнены в виде трехстержневых или в виде группы из трех однофазных трансформаторов.

Выводы фазных обмоток высшего напряжения обозначают буквами A - X, B - Y, C - Z, выводы обмоток низшего напряжения - буквами , , . Каждая из обмоток может соединяться по схеме звезда или треугольник. С учетом маркировки выводов возможны 12 вариантов, которые называют группами соединений. Обозначение групп соединений основано на сопоставлении относительного положения векторов одноименных линейных напряжений и стрелок часов. Для этого минутная стрелка, совмещенная с вектором линейного первичного напряжения, устанавливается на 12-ти часах, а часовая стрелка совмещается с вектором линейного вторичного напряжения. Группе соединений дается название по положению часовой стрелки.

В качестве примера показаны схема соединения (рис. 9.11 а), векторная диаграмма напряжений (рис. 9.11 б) и положение одноименных векторов линейного напряжения и стрелок часов (рис. 9.11 в), соответствующие одиннадцатой группе соединений.

а) б) в)

Рис. 9.11

Соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами в трехфазных схемах и другие свойства рассмотрены в разделе «Трехфазные цепи».

9. Параллельная работа трансформаторов

Параллельное включение силовых трансформаторов применяют для увеличения суммарной мощности и более рационального сочетания мощностей источников питания и потребителей, а также повышения надежности электроснабжения. При параллельной работе к первичным обмоткам трансформаторов подводится одно и то же напряжение, а вторичные обмотки подключаются к общим шинам, от которых питаются потребители (рис. 9.12). Параметры трансформаторов, включаемые на параллельную работу, должны удовлетворять следующим условиям: 1) равенство коэффициентов трансформации; 2) равенство напряжений короткого замыкания; 3) одна и та же группа соединений (для трехфазных трансформаторов).

При несоблюдении первого условия под действием разности ЭДС в обмотках трансформаторов протекают уравнительные токи, минуя цепь нагрузки. Они геометрически суммируются с током нагрузки, обуславливая неравномерное распределение суммарных токов между трансформаторами. При несоблюдении второго условия внешние характеристики трансформаторов имеют разный наклон, что обуславливает неравномерное распределение токов нагрузки между трансформаторами. Трансформатор с меньшим напряжением короткого замыкания перегружается, с большим - недогружается. При несоблюдении третьего условия между одноименными выводами вторичных обмоток возникает разность ЭДС, обуславливающая большой уравнительный ток, часто являющийся аварийным.

10. Специальные трансформаторы

Автотрансформаторы

Автотрансформаторы - это трансформаторы, у которых наряду с магнитной связью между обмотками имеется электрическая связь.

На рис. 9.13 показаны понижающий и повышающий автотрансформаторы. В общей части обмотки протекает разность токов первичной и вторичной цепей

,

где - коэффициент трансформации.

Рис. 9.13

Это позволяет выполнить общую часть обмотки проводом меньшего сечения. Чем ближе коэффициент трансформации к единице, тем автотрансформатор выгоднее. Обычно автотрансформаторы применяются при .

Измерительные трансформаторы тока и напряжений

Измерительные трансформаторы применяются для передачи измерительной информации измерительным приборам, устройствам защиты и управления. Применяют измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Схема включения и векторная диаграмма трансформатора тока показаны на рис. 9.14. Первичная обмотка Л1-Л2 включается последовательно в измерительную цепь, а к вторичной обмотке И1-И2 подключают измерительные приборы (амперметры, токовые цепи счетчиков и ваттметров), имеющие малое внутреннее сопротивление. Поэтому трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, и его магнитная система ненасыщена. Если пренебречь намагничивающим током, то соотношение между первичным и вторичным токами будет иметь вид

,

где - коэффициент трансформации, .

В рабочем режиме нельзя размыкать вторичную цепь трансформатора тока, так как размагничивающее действие вторичного тока исчезает, а оставшийся ток обуславливает увеличение магнитного потока в десятки и сотни раз. На вторичной обмотке возникает опасное для жизни напряжение, а сам трансформатор может выйти из строя вследствие пробоя изоляции или чрезмерного нагрева магнитопровода.

К измерительному трансформатору напряжения (рис. 9.15) подключают вольтметры, цепи напряжения счетчиков и ваттметры, а также защитную аппаратуру, сопротивление которых во много раз превышает сопротивление обмоток трансформатора. Поэтому он работает в режиме, близком к холостому ходу.

Сварочные трансформаторы

Источники для дуговой сварки должны иметь крутопадающую внешнюю (вольтамперную) характеристику (кривая 1 на рис. 9.16) с тем, чтобы она пересекалась с вольтамперной характеристикой дуги (кривая 2) в двух точках и . Между этими точками напряжение источника больше напряжения на дуге, а за их пределами - меньше. Зажигание дуги происходит в точке , а устойчивое горение - в точке .

Рис. 9.16

Для получения крутопадающей характеристики можно использовать катушку (дроссель), сопротивление которой намного больше индуктивного сопротивления обмоток трансформатора. Она представляет собой магнитопровод с обмоткой и включается последовательно во вторичную цепь трансформатора (рис. 9.17). При разомкнутой цепи сварки напряжение между электродом и объектом равно напряжению холостого хода = 60…70 В. При касании объекта электродом в цепи возникает ток короткого замыкания, зажигается дуга и рабочий режим сварки определяется точкой (рис. 9.16). Плавным регулированием воздушного зазора d магнитопровода регулируют ток сварки (рис. 9.18). Если пренебречь сопротивлениями трансформатора, то схема замещения цепи сварки принимает вид, изображенный на рис. 9.19, а уравнение электрического равновесия определяется выражением

. (9.26)

Рис. 9.18

Между составляющими напряжений и всегда сохраняется угол сдвига 90°. Поэтому геометрическим местом конца вектора (точка М) является окружность с диаметром (рис. 9.19 б). В режиме холостого хода точка М совпадает с концом вектора , в режиме короткого замыкания - с началом вектора .

Напряжение дуги

(9.27)

или

(9.28)

где - относительное значение напряжения дуги

;

- относительное значение тока сварки, , где - ток короткого замыкания.

По (9.27) и (9.28) можно рассчитать внешние характеристики дуги.

Для обеспечения требуемых пределов регулирования сварочного тока катушка (дроссель) должна иметь сопротивления:

в режиме максимального тока ,

в режиме минимального тока .

Технические (паспортные) данные трансформаторов.

К паспортным данным трансформатора относятся следующие величины:

1) номинальное первичное напряжение U_1ном;

напряжение холостого хода вторичной обмотки U_2x;

номинальная полная мощность Sном;

напряжение короткого замыкания Uк % выражаемое в процентах;

мощность потерь холостого хода Рх и короткого замыкания Рк;

ток первичной обмотки при холостом ходе трансформатора I_1х % выраженный в процентах номинального тока;

габариты и масса трансформатора.

Номинальное первичное напряжение указывает предельное допустимое действующее напряжение источника питания. Превышение этого напряжения приводит к непропорционально быстрому росту тока, что вызывает дополнительный нагрев первичной обмотки. В паспорте дается напряжение на вторичной обмотке при холостом ходе, что позволяет вычислить коэффициент трансформации n = U₁ / U_2x. Кроме того, значение U_2x определяет класс напряжения (номинальное напряжение) приемников энергии, которые могут быть подключены к трансформатору.

Значение тока I_1х % и активной мощности Рх при холостом ходу определяется качеством магнитопровода и гарантируется заводом-изготовителем.

Величина Рх = ДРм характеризует потери в магнитопроводе, которые сохраняются теми же, как в режиме холостого хода, так и при нагрузке. Значение I_1х % может составить доли или единицы процента у трансформаторов большой мощности (тысячи киловольт ампер) или десятки процентов у трансформаторов малой мощности (десятки вольтампер).

Значение Рк = ДРэ определяет мощность потерь в обмотках трансформатора при номинальных токах в обмотках (при этих токах выполняют опыт короткого замыкания). При токах больше номинальных изоляции обмоток перегреваются, что сокращает срок службы трансформатора.

Номинальная мощность не только характеризует габариты трансформатора, но и позволяет определить его допустимую нагрузку. Номинальные токи трансформатора можно рассчитать с достаточной точностью из соотношения S_ном = mU_1фномI_1фном = mU_2фномI_2фном (m - число фаз трансформатора).

По параметру Uк % можно определить изменение вторичного напряжения трансформатора при нагрузке. Кроме того, величина Uк позволяет определить токи в обмотках трансформатора при коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки. Согласно определению Uк = U_1к / U_1ном , токи в обмотках достигают номинальных значений (U_1к / n =Z_кI_2ном). При номинальном напряжении U_1ном= U_1к / U_к ток короткого замыкания будет в 1 / U_к раз больше номинального тока I_2ном . По этим токам выбирают аппараты защиты трансформатора, обеспечивающие его отключение от места короткого замыкания.

Указанные в паспорте габариты и масса трансформатора необходимы для выбора способа его транспортировки и монтажа.

Применение трансформаторов.

Трансформаторы играю важную роль в электротехнических системах. Они осуществляют трансформацию токов и напряжений, обеспечивая экономическую передачу и распределение энергии. На гидро- и теплостанциях электрическая энергия вырабатывается генераторами с номинальным напряжением от 6,3 до 38,5 кВ.

Электроэнергия передается потребителям по линиям электропередачи (ЛЭП) при напряжении 500, 750 или 1050 кВ. При этом достигается увеличение пропускной способности ЛЭП, уменьшение токов и потерь мощности в ее проводах. Номинальное напряжение большинства потребителей электроэнергии выбирают равным 220, 380 или 660 В. Мощные электродвигатели работают при напряжении 6 или 10 кВ. Ввод электроэнергии в города и промышленные предприятия осуществляется ЛЭП с напряжением 220, 110 и 35 кВ. Поэтому снижение напряжения осуществляется в несколько ступеней.

Таким образом возникает необходимость создания разветвленной системы повышающих и понижающих подстанций с множеством трансформаторов.

Суммарная мощность всех трансформаторов, установленных на подстанциях, обычно в 6-7 раз больше мощности потребителей.

Трансформаторы в системах распределения электроэнергии называют силовыми. Они имеют номинальную мощность от 10 кВА до 1 млн. кВА.

В устройствах промышленной электроники применяют силовые трансформаторы малой мощности (1-1000 ВА) с несколькими вторичными обмотками, предназначенными для питания изолированных друг от друга цепей. Кроме того, в этих устройствах используют специальные импульсные и высокочастотные трансформаторы.

Свойство трансформации напряжений и токов используется также в измерительных трансформаторах. Включая амперметры или вольтметры во вторичную цепь измерительных трансформаторов можно обезопасить обслуживающий персонал, так как эти цепи имеют небольшие напряжения и хорошее заземление.

При сварочных работах, при использовании ручным электроинструментом с помощью трансформаторов можно снизить напряжение до безопасного и технически оправданного уровня, что широко применяют на практике.

Во всех случаях используют важнейшее свойство трансформаторов - возможность передачи электроэнергии при отсутствии электрической связи между обмотками.

В большинстве случаев приходится иметь дело с силовыми трансформаторами, у которых токи и напряжения практически синусоидальны.

Размещено на Allbest.ru