Файл: электротехника.docx

Изобретателем трансформатора был выдающийся конструктор и ученый П. Н. Яблочков.

ПРИНЦИП

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции (см. § 3-18).

Упрощенная схема устройства однофазного трансформатора показана на рис. 9-1. На магнитопроводе собранном из лакированных с двух сторон листов трансформаторной стали, содержащей 4—5% кремния, помещены обмотки трансформатора 2 и 3. От питающей сети энергия подается к обмотке 2, которая называется первичной. Мощностьявляется первичной мощностью трансформатора или мощностью на входе.

Обмотка 3 присоединена к потребителю энергии и называется вторичной, а мощность— вторичной мощностью или мощностью на выходе.

Рис. 9-1. Однофазный трансформатор.

Обычно напряжения обмоток не равны. Обмотка, рассчитанная на большее напряжение, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а вторая — обмоткой низшего напряжения (НН). Каждая обмотка состоит из двух половин, помещенных на разных стержнях магнитопровода и соединенных между собой так, чтобы их магнитодвижущие силы д. с.) складывались, создавая общий магнитный поток. Большая часть этого потока Ф замыкается вдоль магнитопровода 4 и называется полезным потоком. Он сцеплен с обеими обмотками. Часть магнитного потока, замыкающегося по воздуху и сцепленного только с одной обмоткой (5 или 6), называется потоком рассеяния.

На рис. 9-1 первичная и вторичная обмотки показаны раздельно, для упрощения чертежа, обычно же они расположены концентрично: обмотка низшего напряжения ближе к магнитопроводу, а высшего — дальше от него.

Трансформатор называется понижающим, если первичное напряжение больше вторичного в обратном случае он называется повышающим. У трехфазных трансформаторов выводы обмоток обозначаются: начала и концы соответственно А, В, С и X, Y, Z — высшего напряжения и а, Ь, с и , у, z — низшего напряжения.

Рис. 9-2. Сборка сердечника трансформатора.

Рис. 9-3. Расположение листовстали при сборке.

У однофазных трансформаторов начало и конец на стороне высшего напряжения А и X, а на стороне низшего напряжения а их. Сборка магнитопровода показана на рис. 9-2, а расположение отдельных листов в слоях — на рис. 9-3. Толщина листов равна 0,5-0,35 мм. Форма сечения сердечников трансформатора показана на рис. 9-4.

Рис. 9-4. Сечения сердечников трансформаторов.

Рис. 9-5. Броневой трансформатор.

Существуют трансформаторы имеющие сердечник с разветвленной магнитной цепью (рис. 9-5).

Номинальные величины трансформатора — мощность, напряжения, токи, частота указываются на заводском щитке. Ввиду того что к. п. д. трансформатора высок, номинальные мощности обеих обмоток считают условно равными .

17. Режимы трансформатора.

Режим холостого хода

В этом режиме вторичная обмотка разомкнута. Переключатель находится в положении 1. Ток потребляемый первичной цепью минимален и называется током холостого хода. Магнитное поле вокруг первичной обмотки называется магнитным полем холостого хода. Этот режим безвреден для трансформатора.

Рис.1.34. Режимы работы трансформатора

Режим нагрузки

Включим переключатель в положение 2, при этом трансформатор из режима холостого хода переходит в режим нагрузки. По вторичной обмотке протекает ток I₂, магнитный поток которого согласно закону Ленца направлен против магнитного поля первичной обмотки Φ. В результате этого магнитный поток Φ в первый момент уменьшается, что вызывает уменьшение э. д. с. самоиндукции Е₁в первичной обмотке трансформатора. Поскольку приложенное напряжение U₁(сети, генератора) при этом остается неизменным, то электрическое равновесие между напряжением и э. д. с. самоиндукции нарушается и происходит увеличение тока в первичной обмотке. Увеличение тока приводит к увеличению магнитного потока, что в свою очередь вызывает увеличение э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится электрическое равновесие между приложенным напряжением и э. д. с. самоиндукции. Но при этом ток первичной обмотки будет больше, чем при холостом ходе, т. е. суммарный магнитный поток первичной и вторичной обмоток трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки в режиме холостого хода.

В режиме нагрузки, т. е. при появлении вторичного тока, первичный ток возрастает, во вторичной обмотке создается падение напряжения и вторичное напряжение уменьшается. При уменьшении нагрузки, т. е. при уменьшении вторичного тока, размагничивающее действие вторичной обмотки уменьшается, магнитный поток в сердечнике в первый момент возрастает и соответственно возрастает э. д. с. самоиндукции Е₁. Электрическое равновесие между U₁и Е1 нарушается, ток в первичной обмотке уменьшается, При этом происходит уменьшение магнитного потока и э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится временно нарушенное электрическое равновесие между U₁и Е₁, но при меньшем токе I₁.

Итак, уменьшение тока I₂приводит к уменьшению тока I₁, падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора уменьшается и вторичное напряжение возрастает.

Режим короткого замыкания

Включим переключатель в положение 4. Сопротивление вторичной цепи практически будет равным нулю. Ток вторичной цепи будет максимальным, магнитное поле вторичной обмотки будет максимальным. Магнитное поле первичной обмотки уменьшится и станет минимальным, следовательно и индуктивное сопротивление первичной обмотки станет минимальным.Ток потребляемый первичной цепью возрастет до максимума. Такой режим называется режимом короткого замыкания. Этот режим опасен для трансформатора и всей цепи. Для защиты от КЗ устанавливают предохранители в первичной или во вторичной цепи.

Мощность развиваемая в первичной цепи равна произведению U₁·I₁во вторичной цепи U₂·I₂. Трансформатор выигрыша в мощности не дает так как всякое увеличение напряжения с помощью трансформатора сопровождается соответствующим уменьшением тока, т. е. во сколько раз трансформатор увеличит напряжение во столько раз он уменьшит величину тока во вторичной цепи. В понижающем трансформаторе во сколько раз трансформатор уменьшит напряжение во столько раз увеличит величину тока во вторичной цепи.

К. п. д.трансформатораэто отношение вторичной мощности P₂к первичной P₁( полезной мощности к потребляемой) выраженной в %.

η = Р₂/Р₁·100%

Например к. п. д. трансформатора 90% это значит что 90% энергии полученной первичной обмоткой от источника тока переходит во вторичную обмотку и 10% теряется в трансформаторе на активном сопротивлении трансформатора. Наличие потерь приводит к тому, что мощность выделяемая в нагрузке вторичной обмотки трансформатора, всегда меньше мощности, которую потребляет первичная обмотка.

Потери энергии в трансформаторе состоят из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. К потерям в сердечнике относятся потери на магнитный гистерезис и потери на вихревые токи. Потери в обмотках обусловлены обычным нагревом обмоток током.

18. Внешняя характеристика трансформатора. Кпд трансформатора.

ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСФОРМАТОРА

Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки U2 = f(I2) при U1 = const и cos φ2 = const называется внешней характеристикой. Из уравнения (8.15) для упрощенной схемы замещения трансформатора следует, что с изменением тока во вторичной обмотке (тока нагрузки I2) напряжение на вторичной обмотке изменяется. Значение напряжения на вторичной обмотке определяется не падением напряжения, а потерей напряжения в обмотках. Потеря напряжения есть арифметическая разность между первичным и приведенным вторичным напряжением:

ΔU'2 = U1 - U'2.

При отсутствии нагрузки (I2 = 0) напряжение на вторичной обмотке U'2 = U'20 = U1, а поскольку напряжение U1 не зависит от нагрузки, то ΔU'2 есть изменение напряжения U'2 по сравнению с его значением при холостом ходе U'20, или

ΔU'2 = U'20 - U'2;    ΔU2 = U20 - U2,

откуда

U2 = U20 - ΔU2.

Потеря напряжения определяется из векторной диаграммы упрощенной   схемы   замещения   трансформатора   (рис.   8.14):

ΔU'2 - U1 - U'2 = OB' -ОА ≈ ОВ -ОА = АВ;

ΔU'2 =I1rк cos φ2 + I1xк sin φ2 = I1(rк cos φ2 + xк sin φ2);

(8.16)

ΔU2 = ΔU'2/n.

На рис. 8.15 изображены внешние характеристики трансформатора при различных значениях коэффициента мощности потребителей. Изменение напряжения U2 во многом зависит, как это видно из выражения (8.16), не только от значений zк, cos φ2, но и от соотношения значений rк и хк. Изображенные внешние характеристики (рис. 8.15) справедливы для трансформаторов средней и большой мощности, у которых zк мало и хк > rк . У трансформаторов малой мощности zк относительно велико и rк > хк . Поэтому изменение напряжения у них более значительное и взаимное расположение внешних характеристик при различных значениях коэффициента мощности потребителей существенно отличается от трансформаторов большой мощности. Примерные внешние характеристики трансформаторов малой мощности при различных значениях cos φ2 изображены на рис. 8.16.