Файл: Лекции для курсов Электрические машины и аппараты.docx

Лекция 8

Трансформаторы

1. 
   Устройство трехфазных трансформаторов
   
2. 
   Соединение обмоток трехфазных трансформаторов
   
3. 
   КПД
   

Устройство и принцип действия

Общее устройство трехфазных трансформаторов

Трансформаторы, используемые в сетях промышленных предприятий называются силовыми.

Силовые трансформаторы в основном бывают трехфазными.

Мощность силового трансформатора измеряется в киловольтамперах. ( кВА ).

Промышленностью выпускаются силовые трансформаторы мощностью от 10 до 560кВА. На подстанциях к силовым трансформаторам от ЛЭП подводится напряжение 6 или 10 кВ. а снимается 0,4 или 0,23 кВ.которое подается потребителю.


Силовой трансформатор представлен на рисунке 26.1:



Рис.26.1. Трехфазный силовой трансформатор

На рисунке :

1. 
   бак с радиаторами
   
2. 
   крышка
   
3. 
   выводы высшего напряжения
   
4. 
   выводы низшего напряжения
   
5. 
   рукоятка переключателя числа витков обмотки высшего напряжения
   
6. 
   предохранительная труба
   
7. 
   указатель уровня масла
   
8. 
   расширитель
   
9. 
   транспортные катки
   

Бак предназначен для размещения в нем активной части ( магнитопровода с закрепленными на нем катушками высшего и низшего напряжения) ,погруженных в масло. Для увеличения поверхности охлаждения в бак вварены трубы радиатора. Бак закрывается крышкой на болтах.
Выводы высшего и низшего напряжения обеспечивают изоляцию вводных кабелей от корпуса трансформатора.
Переключатель витков обеспечивает ступенчатое изменение напряжения на выходе

трансформатора.
Расширитель вмещает до 10% масла и предназначен для сбора масла при его расширении при нагревании.
При ремонтах из бака извлекают выемную часть трансформатора (см.рис.26.2)

---

Рис.26.2. Выемная часть силового трехфазного трансформатора
Вместе с крышкой из бака трансформатора извлекается его активная часть.

Активная часть трансформатора состоит :

• 
  магнитопровод;
  
• 
  обмотки высшего напряжения ;
  
• 
  обмотки низшего напряжения ;
  

26.2. Магнитопроводы трехфазных трансформаторов

Магнитопровод( сердечник ) состоит из стержней и ярма , образующих замкнутую

магнитную цепь.

Магнитопровод собран из листов электротехнической стали толщиной 0,35...0,5 мм. Листы изолированы друг от друга лаковой пленкой. Конструкция магнитопровода показана на рисунке 26.3:


Рис.26.2. Магнитопровод трехфазного трансформатора
На рисунке обозначены :

1 - стержень ;

2 - вертикальная стяжка ;

3 - стяжная шпилька ;

4 - верхнее ярмо ;

5 - нижнее ярмо ;
26.3. Обмотки трехфазных трансформаторов
Обмотки по назначению делятся на :

• 
  первичную ;
  
• 
  вторичную ;
  

Первичной называется обмотка, к которой подсоединяется источник энергии.

Вторичной называется обмотка , к которой подсоединяется потребитель.

Обмотка с высоким напряжением обозначается " ВН ", обмотка с низким напряжением обозначается "НН".

Обмотки выполняются из круглых или прямоугольных медных или алюминиевых проводов, изолированных пряжей, бумагой, эмалью или изоляционными деталями. Обмотки пропитывают лаком и сушат.
По конструкции различают два вида обмоток :

• 
  концентрические, располагающиеся одна внутри другой ;
  
• 
  чередующиеся , поставленные одна над другой в виде отдельных катушек вдоль оси стержня ;
  

Магнитопровод с обмотками называют активной частью трансформатора

Соединение обмоток трехфазных трансформаторов
27.1. Общие определения

Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполня­ются так же, как и однофазных.

Начала фаз обмоток ВН обозна­чены прописными латинскими буквамиА, В

---

и С; концы фаз этих обмоток — X, Yи Z. Если обмотка ВН имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначают 0.

Начала фаз обмоток НН обозначаются строчными латинскими буквами а, 6, с, концы фаз — х, у, z, вывод нулевой точки — 0.

Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены в звезду (рис. 27.1), когда концы всех трех фаз соединены между собой, образуя общую нейтральную (нулевую) точку, а свободные начала трех фаз подключены к трем проводам сети источника или приемника электрической энергии переменного тока.



Рис.27.1. Соединение обмоток звездой
При соедине­нии обмоток в треугольник (рис. 27.2,)начало первой фазы соединяется с концом второй, начало второй фазы — с концом треть­ей, начало третьей фазы — с концом первой. Точки соединения начала одной фазы с концом другой подключены к проводам трех­фазной сети переменного тока.



Рис.27.2. Соединение обмоток треугольником
Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов в звезду и треугольник обозначаются соответственно знаками


ЗвездаЗвезда с выводом нуля Треугольник
Рис.27.3. Обозначение соединений обмоток трансформатора

27.2.Группы трехфазных трансформаторов

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. 24.4, а).



Рис.27.4 Схемы включения однофазного трансформатора.

---

а) намотка обмоток в одном направлении

б) намотка обмоток в разных направлениях.

Если же в трансформаторе изменить направление намотки обмоток иди же переставить обозначение их выводов, то вектор ЭДС Е₂ окажется сдвинутым относительно вектора Е₁ на 180° (рис. 24.4, б).

Сдвиг фаз между ЭДС Е₁ и Е₂ 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 Е₁ и Е₂ 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. 27.4, а) соединение имеет группу 12, а на (рис. 27.4, б) - группу 6.
Таким образом, в однофазном трансформаторе имеется только две группы -12 и 6.

В 3-х фазном трансформаторе группу соединения определяют по углу сдвига фаз между линейными векторами ЭДС Е₁ и Е₂ .
В качестве примера рассмотрим схему Y / Y - 12 (рис. 27.5).

Р ис.27.5. Схема трехфазного трансформатора гр.12

Векторная диаграмма показывает, что сдвиг между E₁ и Е₂ 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.27.6.).



Рис.27.6. Схема трехфазного трансформатора гр.6



Рис.27.7. Схема трехфазного трансформатора гр.11

Большой разнобой в схемах и группах соединений изготовляемых трансформаторов нежелателен.

Поэтому ГОСТ предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами соединений обмоток;

Y/Y₀-0, ∆/Y₀-l1, Y/∆-11 Y₀/∆-l1.

При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым — соединение обмотки НН, а индекс «0» указывает на то, что наружу выводится нулевая точка обмотки.

---

Лекция 9

Специальные трансформаторы

1. 
   Автотрансформаторы
   
2. 
   Сварочные трансформаторы
   
3. 
   КПД трансформаторов
   

Автотрансформаторы

28.1. Общие определения

Автотрансформаторы по принципу действия ничем не отличаются от обычных трансформаторов. Разница состоит в том, что автотрансформатор имеет одну обмотку, от которой сделаны выводы.


       Если автотрансформатор используется какпонижающий, то вся обмотка рассчитывается на напряжение сети U₁, в которую нужно подключить автотрансформатор. Один вывод обмотки считается общим и как правило обозначается цифрой 0. Вторичные напряжения U₁,U₂,..U_n берутся от выводов обмотки 1,2,3,…,n относительно к общему выводу.
       Если автотрансформатор используется как повышающий, то часть обмотки рассчитывается под напряжение сети U₁, а вывод делается от всей обмотки, на которой образуется вторичное напряжение U₂>U₁.
28.2. Электрическая схема автотрансформатора
       На Рис.28.1.а показана электромагнитная схема понижающего автотрансформатора.

Обмотка w₁ включается в электросеть с напряжением U₁ . Нагрузка (потребители) подключается к части витков w_2-1, w_2-2 ,…., w_2-n обмотки, на которых вторичное напряжение U_2-1, U_2-2 ,…., U_2-n пропорциональные количеству витков w_2-1, w_2-2 ,…., w_2-n.

   Напряжения для понижающего трансформатора U₁> U_2-1; U₁> U_2-2;…. ;U₁> U_2-n, соответственно для витков w₁>w_2-1; w₁>w_2-2;….. ;w₁>w_2-n.



Рис.28.1.Электромагнитная схема автотрансформатора,

а) понижающий, 6) повышающий.

       На Рис.28.1.б показана электромагнитная схема повышающего автотрансформатора. Так как для первичной цепи (сетевой) , w₁<w₂, следует, что U₁2, или U₂>U₁.

Это значит, что во вторичной цепи напряжение выше чем в первичной цепи.
       Автотрансформаторы проще по конструкции. Имеют стоимость ниже, чем трансформаторы, так как на их изготовление расходуется меньше медного провода и меньше трудозатрат при изготовлении обмоток.

Но есть существенный недостаток. Первичные цепи и вторичные цепи непосредственно имеют металлическую связь. Эта конструктивная особенность, во вторичных цепях, поддерживает потенциал первичной цепи, что во многих случаях, из-за требований безопасности и надежности, недопустимо.

По этой причине автотрансформаторы не получили широкого распространения, особенно в электронной отрасли производства.
Сварочные трансформаторы.

29.1. Общие определения.

Сварочный трансформатор предназначен для электрической сварки металлических деталей.

Особенностью работы этих трансформаторов является прерывистый режим работы с резкими переходами от холостого хода к короткому замыканию.

Для ограничения токов короткого замыкания при соприкосновении электродов сварочные трансформаторы строятся с большим индуктивным сопротивлением обмоток.

Рис.29.1. Общий вид сварочного трансформатора


Рис.29.2. Схема устройства сварочного трансформатора

На рисунке обозначены:

1 - первичная неподвижная катушка

2 - вторичная подвижная катушка

3 - подвижная траверса

4 - магнитопровод

5 - ходовой винт

6 - рукоятка

7 - электрод

8 - металлическая площадка для детали



Рис.29.3. Сварочный трансформатор со снятым кожухом

1 — сетевые зажимы для проводов; 2 — сердечник (магнитопровод); 3 — рукоятка регулирования тока; 4 — зажимы для подсоединения сварочных проводов; 5 — ходовой винт; 6 — катушка вторичной обмотки; 7 — катушка первичной обмотки; 8 — компенсирующий конденсатор

Катушки первичной обмотки сварочного трансформатора неподвижные и закреплены у нижнего ярма, катушки вторичной обмотки подвижные. Величину сварочного тока регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками.


Рис.29.4. Электрическая схема сварочного трансформатора
Наибольшая величина сварочного тока достигается при сближении катушек, наименьшая — при удалении. С ходовым винтом 5 связан указатель примерной величины сварочного тока. Точность показаний шкалы составляет 7,5 % от значения максимального тока. Отклонения величины тока зависят от подводимого напряжения и длины сварочной дуги. Для более точного замера сварочного тока должен применяться амперметр.

При повороте рукоятки 3 трансформатора по часовой стрелке катушки обмоток 6 и 7 сближаются, вследствие чего магнитное рассеяние и вызываемое им индуктивное сопротивление обмоток уменьшаются, а величина сварочного тока увеличивается. При повороте рукоятки против часовой стрелки катушки вторичной обмотки удаляются от катушек первичной обмотки, магнитное рассеяние увеличивается и величина сварочного тока уменьшается.
Трансформаторы снабжены емкостными фильтрами, предназначенными для снижения помех радиоприему, создаваемых при сварке
Коэффициент полезного действия трансформатора
25.1. Потери в трансформаторе

в соответствии с законом сохранения энергии потребляемая трансформатором мощность Р₁больше мощности, отданной им в нагрузкуР₂, так как при работе трансформатора (так же, как и любого преобразователя энергии) часть преобразуемой им элек­трической энергии неизбежно теряется.

При работе трансформато­ра на какую-либо нагрузку из питающей сети помимо полезной мощности Р₂потребляется мощность, идущая на покрытие потерь в стали магнитопроводаР_с и в проводах обмоток (потери в меди) Р_м.

Потери в стали магнитопровода на гистерезис и на вихревые токи зависят от частоты тока питающей сети и от магнитной индук­ции. Так как при работе трансформатора частота тока сети и ам­плитуда магнитной индукции неизменны, то потери в стали постоянны, не за­висят от нагрузки трансформатора и равны потерям х.х.: P_c= Р_0. Эти потери определяются из опыта х. х. трансформатора.
25.2. Коэффициент полезного действия трансформатора.
Коэффициент полезного действия трансформаторапредставля­ет собой отношение полезной мощности, отдаваемой трансформато­ром в нагрузку, к мощности, потребляемой им из первичной сети:


или

Практически к.п.д. трансформато­ров очень высок.

• 
  для трансформаторов малых мощностей (до 1000 ВА) η = 85 - 95 % ;
  
• 
  для трансформаторов больших мощностей η = 95 - 99,5%.
  

При любой величине и характере нагрузки трансформатора его полезная мощность можно определить по формуле:


где β - коэффициент нагрузки трансформатора

Р_2ном— номиналь­ная мощность трансформатора.

- коэффициент мощности трансформатора

Коэффициент нагрузки трансформатора определяется как отношение тока первичной обмотки при данной нагрузке к номинальному току первичной обмотки при номинальной нагрузке, т.е.


- первичной обмотки при выбранной нагрузке;

- номинальный ток первичной обмотки;
Подведенная мощность определя­ется кок сумма полезной мощности трансформатора и мощности потерь:

Р₁=Р₂+ƩР = Р₂ + Р₀ + Р_М.
Потери в меди Р_м зависят от тока (от нагрузки) и являются потерями переменными.

Эти потери определяются по формуле


где — потери в меди при номинальном токе.

Проведя математические преобразования получаем формулу для определения коэффициента полезного действия трансформатора:

или
На рис. 25.1 построены зависимости η, Ро иР_м от коэффици­ента нагрузки β, откуда видно, что зависимость имеет максимум.



Рис.25.1. Зависимость КПД и потерь трансформатора от коэффициента нагрузки.
Наибольшее значение коэффициента нагрузки β, при котором коэффициент полезного действия трансформатора η имеет максимальное значение определяется по формуле:


Следовательно, наибольший к. п. д. будет при такой нагрузке, при которой постоянные потери равны потерям переменным (Ро =Р_М).

Потери постоянные Р₀— это потери в стали,

Потери переменные Р_м— это потери в меди обмоток трансформатора,

Потери в стали определяются из опыта х.х., потери в обмот­ках— из опыта к. з. Номинальная мощность трансформатора ука­зана на его щитке, в паспорте и каталоге. Задаваясь значениями β и cosφ₂, можно вычислить к. п. д. трансформатора при любой на­грузке, не подвергая его непосредственным испытаниям.

1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   19

---