Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Занятие 34
ТРАНСФОРМАТОРЫ (6)
Цель: Дать знать о назначении, устройстве, принципе действия однофазного трансформатора, о холостом ходе трансформатора и его работе под нагрузкой.
Дать представление о трехфазных трансформаторах, им конструкции и системе охлаждения, о специальных типах трансформаторов.
Тема: однофазный трансформатор
НАЗНАЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение — понижающих.
Трансформаторы применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.
В соответствии с назначением различают: силовые трансформаторы для питания электрических двигателей и осветительных сетей; специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения; измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов.
По числу фаз трансформаторы делятся на одно- и трехфазные. Трансформаторы, используемые в технике связи, подразделяют на низко- и высокочастотные.
Расчетные мощности трансформаторов различны — от долей вольт-ампер до десятков тысяч киловольт- ампер; рабочие частоты — от единиц герц до сотен килогерц.
Трансформатор — простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99%. КПД трансформатора ƞ, определяемый как отношение мощности на выходе Р2 к мощности на входе Р1, зависит от нагрузки. Современные трансформаторы рассчитывают таким образом, что максимум КПД достигается при нагрузке, равной примерно половине номинального значения.
УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА
Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах, магнитопроводом может являться воздушная среда.
Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготовляют из магнитомягкого материала — трансформаторной стали, имеющей узкую петлю на
магничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.
Различают трансформаторы стержневого (рис. 7.1,а) и броневого (рис. 7.1, б) типов. Последний хорошо
Рис. 7.1. Конструкция однофазного маломощно- го трансформатора стержневого (а) и броневого $) типов
о) б)
защищает обмотки катушек от механических повреждений. Верхнюю часть магнитопровода, называемую ярмом, крепят после насадки на стержень катушек (обмоток). Стержни и ярмо соединяют очень плотно, чтобы исключить воздушные зазоры на стыках. В маломощных трансформаторах находят широкое применение кольцевые магнитопроводы, которые собирают из штампованных колец или навивают из длинной ленты. В этих магнитопроводах отсутствует воздушный зазор, поэтому магнитный поток рассеяния мал. В трансформаторах, рассчитанных на повышенные частоты, кольцевые магнитопроводы часто прессуют из ферромагнитного порошка, смешанного с изоляционным лаком.
Обмотки трансформаторов изготовляют из медного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях, рядом или одну под другой. В последнем случае непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.
Обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети, называют первичной, а обметку, к которой подсоединяется нагрузка,— вторичной. На сердечнике может быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом витков, что позволяет получить различные по значению вторичные напряжения.
При работе трансформатора за счет токов в обмотках, а также вследствие перемагничивания магнитопровода и вихревых токов выделяется теплота. Трансформаторы небольшой мощности (до 10 кВ*А), для которых достаточно воздушного охлаждения, называют сухими.
Рис, 7.2. Трехфазный силовой Рис. 7.3. Общий вид трансформатор автотрансформатора
ЛАТР-1:
1 — ручка скользящего контакта; 2 — скользящий контакт; 3 — обмотка
В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение (рис. 7.2). Магнитопровод 1 с обмотками 2, 3 размещается в баке 4, заполненном минеральным (трансформаторным) маслом. Масло не только отводит теплоту за счет конвекции или принудительной циркуляции, но и является хорошим диэлектриком (изолятором). Масляные трансформаторы надежны в работе и имеют меньшие размеры и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. При изменении температуры объем масла меняется. При повышении температуры излишек масла поглощается расширителем 5, а при понижении температуры масло из расширителя возвращается в основной бак.
В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, применяют скользящий контакт для изменения числа витков обмотки (примерно так же, как это делается в ползунковых реостатах). Скользящий контакт широко используется в автотрансформаторах, рассчитанных на регулирование напряжения в небольших пределах (рис. 7.3).
Трансформаторы широко используются для передачи и распределения электроэнергии переменным током. Для более экономной передачи электроэнергии на большие расстояния, т. е. с меньшими потерями и с большей экономией цветного металла, необходимо передавать ток большого напряжения.
Следовательно, сопротивление линии передачи при высшем напряжении можно сделать в 333 раза большим, т. е. передать ток на расстояние в 333 раза больше.
Генераторы дают переменный ток напряжением не выше 6,3; 10 и 21 кВ. Для передачи электроэнергии на большие расстояния переменный ток преобразуется на трансформаторных подстанциях в ток с напряжением 35; 110; 150; 220; 330; 500 и 750 кВ. Приемники электрической энергии (двигатели, электролампы) в основном рассчитаны на напряжение переменного тока 127; 220; 380 и 660 В. Для преобразования переменного тока высокого напряжения в ток для подключения приемников строятся понизительные трансформаторные подстанции. В ряде случаев используются приемники, для питания которых нужен переменный ток напряжением 36; 24; 12 и 6 В. Для питания таких приемников от сети переменного тока в самом приемнике имеется трансформатор, преобразующий ток сетевого напряжения в ток нужного напряжения.
Трансформаторы, увеличивающие напряжение переменного тока, называются повысительными, а уменьшающие напряжение переменного тока, — понизительными.
Силовые трансформаторы в зависимости от конструкции и назначения бывают различных типов. Тип трансформатора обозначается буквами и цифрами. Первая буква означает фазность (О — однофазный; Т — трехфазный), вторая буква или вторая и третья — вид охлаждения (М — естественное масляное; Д — дутьевое, обдувание масляных радиаторов; Ц — циркуляция масла принудительная, с помощью масляных насосов; ДЦ — принудительная циркуляция масла через охладители, обдуваемые воздухом; С — сухой, с воздушным охлаждением). Дальше буквы указывают: А — алюминиевые обмотки; Н — с регулятором напряжения под нагрузкой; АН — со стабилизирующим устройством для регулировки напряжения под нагрузкой; Р — для ртутного выпрямителя. Цифра в числителе указывает полную мощность трансформатора в киловатт-амперах, а в знаменателе — высшее напряжение. Например, ТМН-560/10 — трехфазный трансформатор с естественным масляным охлаждением, с регулятором напряжения под нагрузкой, мощностью 560 кВ-А и высшим напряжением 10 кВ.
На каждом трансформаторе имеется щиток, на котором указываются тип трансформатора, линейные токи при номинальной мощности, частота, число фаз, схема и группа соединения обмоток.
Кроме силовых трансформаторов, изготовляется ряд трансформаторов специального назначения (автотрансформаторы, сварочные, измерительные и т. д.).
Классификацию трансформаторов можно произвести по нескольким признакам:
♦ по назначению — силовые, специальные (импульсные, сварочные, измерительные, разделительные, выпрямительные, автотрансформаторы);
а
б
в
г
Рис. 6.1. Магнитопроводы трансформаторов: a — стержневые; б — броневые; в — бронестержневые; г — тороидальные
На рис. 6.2 изображены трансформаторы с магнитопроводом, состоящим из стержней, на которых размещены обмотки высшего ВН и низшего напряжения НН.
Рис. 6.2. Трансформаторы с магнитопроводом и обмотками низшего и высшего напряжения
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод собирают из листов элекротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы изолируют один от другого лаком, тонкой бумагой или слоем окалины, получаемой за счет специальной металлургической обработки их поверхностей. Листы обычно собирают «внахлестку» т. е. с перекрытием зазоров. Это позволяет обеспечить высокую магнитную проводимость магнитопровода и ограничить пути для прохождения вихревых токов. Листы магнитопровода стягиваются болтами, пропущенными через изолированные втулки.
Обмотки трансформаторов чаще всего выполняют в виде цилиндрических катушек из медных или алюминиевых изолированных один от другого проводов круглого или прямоугольного сечения. Для лучшей магнитной связи обмотки обычно располагают концентрически одна на другой. Ближе к стержню обычно находится обмотка низшего напряжения НН, а обмотка высшего напряжения ВН — снаружи.
Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции.
Рассмотрим принцип работы двухобмоточного однофазного трансформатора (рис. 6.3). В нем имеются индуктивно связанные обмотки: первичная w,и вторичная w2. Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения и1, то по ней будет протекать ток i1 который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки обмоток трансформатора, дет индуцировать в них ЭДС e1 и e2 Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии то по этой обмотке и через приемник будет протекать ток i2.
Рис. 6.3. Электромагнитная схема двухобмоточного однофазного трансформатора
Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передатсяся из первичной цепи во вторичную.
Мгновенные значения ЭДС, индуцируемых в обмотках трансформатора, определяются выражениями:
e1=-ѡ1 ; e2=-ѡ2 ; (6.1)
Действующие значения этих ЭДС при синусоидальном изменении магнитного потока Ф:
Е1 4,44 ѡ1 f Фm и Е2 4,44 ѡ2 f Фm, (6.2)
где f — частота сети, Гц; Фm — максимальное значение основного потока, Вб.
Отношение ЭДС обмоток трансформатора, равное отношению числа витков, называется коэффициентом трансформации:
k= (6.3)
При к>1 трансформатор понижающий, при к<1- повышающий. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.
Трансформаторы имеют три основных режима работы:
В эксплуатационных условиях короткое замыкание — аварийный режим, при котором в трансформаторе выделяется большое количество теплоты и создаются большие механические усилия, способные его разрушить.
Опыт же короткого замыкания производят при таком первичном напряжении, чтобы значения токов I1 и I2 обмоток трансформатора были номинальными;
Ток I2, проходящий во вторичной обмотке трансформатора, создает свой магнитный поток, который согласно правилу Ленца, направлен встречно магнитному потоку первичной обмотки и стремится его уменьшить. Чтобы результирующий магнитный поток оставался неизменным, магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки, поэтому при увеличении тока I2 увеличивается и ток I1. Магнитные потоки, создаваемые этими токами, уравновешиваются, и результирующий магнитный поток в сердечнике сохраняет практически неизменное значение.
Если пренебречь потерями в трансформаторе, то можно считать равными мощности трансформатора — потребляемую из сети и отдаваемую потребителю: U1 I1= U2 I2
Загрузка трансформатора в рабочем режиме оценивается коэффициентом:
β= (6.4)
где Р2 — полезная мощность трансформатора; S— номинальная полная мощность; cosφ — коэффициент мощности нагрузки.
Преобразование электроэнергии в трансформаторах происходит c высоким коэффициентом полезного действия (КПД): до 98—99 % в мощных трансформаторах.
Периодические изменения магнитного поля в магнитопроводе трансформатора сопровождаются потерями в стали магнитопровода на гистерезис и вихревые токи. Эти потери зависят от сорта стали, возрастают увеличением частоты, магнитной индукции и массы магнитопровода.
Потери в стали не зависят от нагрузки и равны потерям холостого хода.
Прохождение токов по обмоткам трансформатора вызывает потери мощности в обмотках, пропорциональные квадрату коэффициента загрузки трансформатора.
КПД трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на первичной мотке:
η = 100%. (6.5)
Обычно в паспортных данных и на щитке (корпусе) электрического трансформатора указываются:
♦ токи в первичной и вторичной (I1 и I2) обмотках при номинальной мощности;
♦ режим работы (длительный или кратковременный);
♦ способ охлаждения (масляный, воздушный).
Холостой ход трансформатора
Холостым ходом трансформатора называется такой режим работы, при котором вторичная обмотка разомкнута (I2=0).
Работа трансформатора основана на принципе взаимоиндукции. На (рис. 57) схематически показано устройство однофазного трансформатора.
При подключении первичной обмотки трансформатора к синусоидальному напряжению сети в ней возникает ток i1=IM sin αt создающий магнитный поток первичной обмотки. Основная часть этого магнитного потока Ф сосредоточивается в магнитном проводе и называется рабочим потоком. Из-за наличия гистерезиса в магнитопроводе рабочий магнитный поток отстает по фазе от намагничивающего тока:
®=<Dmsin (сat—а).
Небольшая часть магнитного потока замыкается около витков, проходя в основном путь по воздуху, и называется потоком рассеяния Фр. Поток рассеяния совпадает по фазе с током:
Фр=Фтр sin tot.
Для полной мощности в случае симметричного приемника имеем:
5 = 3(/ф/ф = 73£/л/л. (5.87)
Для измерения мощности применяют специальные измерительные приборы, называемые ваттметрами.
Контрольные вопросы
ава 6 АНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор (от лат. transformo — преобразовывать) — статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования ременного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
Обычно трансформатор состоит из стального замкнутого магнитопровода и двух или нескольких индуктивно связанных между собой обмоток. Магнитопровод необходим для усиления электромагнитной связи жду обмотками.
Глава 7. ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор был изобретен в 1876 г. знаменитым русским электротехником П. Н. Яблочковым и в дальнейшем усовершенствован русским изобретателем П. Ф. Уса- гиным.
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока. В общем случае вторичная система переменного тока может отли: чаться от первичной любыми параметрами: значениями напряжения и тока, числом фаз, частотой и т. д. В электротехнике наибольшее применение получили силовые трансформаторы, посредством которых изменяют значения переменного напряжения и тока (число фаз и частота остаются неизменными).
Известно, что передача электроэнергии на дальние расстояния осуществляется на высоком напряжении (до 500 кВ и более). Чем выше напряжение U, тем при той же передаваемой мощности 5 меньше ток / = S/U, благодаря чему значительно уменьшаются потери энергии в электрических линиях и расход металла на изготовление проводов. Для этого в месте производства электрической энергии — на электростанциях — устанавливаются повышающие трансформаторы 77 (рис. 7.1), которые по-
тг
Линия
<5>
Приемникизлен трознвргии
передачи
: Т1
Элекгростан■ (]£)
Рис. 7.1
вышают напряжение до нужного значения, а в конце линии электропередачи устанавливаются понижающие трансформаторы Т2, понижающие напряжение до требуемого значения.
Трансформаторы применяются также в нагревательных, сварочных, выпрямительных установках, в электро
не
измерительной технике, устройствах радио, связи, автоматики и т. д.
Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам: 1) по назначению — на силовые общего применения, силовые специального применения (сварочные, нагревательные и др.). импульсные (для преобразования амплитуды импульсов) и т. д.; 2) по числу трансформируемых фаз — на однофазные и трехфазные; 3) по числу обмоток на фазу — на двухобмоточные, трехобмоточные, многообмоточные; 4) по виду охлаждения — с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением; 5) по форме магнитопровода — на стержневые, броневые и др.
Простейший трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовой электротехнической стали) и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 7.2). Обмотка, к зажимам которой подводит
а .
Рис. 7.2
ся электрическая энергия, называется первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключается приемник Z.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции (см. § 3,6). Протекающий по первичной обмотке переменный ток создает в магнито- проводе переменный магнитный поток Ф. Этот поток сцеплен с обеими обмотками и индуцирует в каждой из них переменную ЭДС: в первичной обмотке — ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке — ЭДС взаимоиндукции Е2. Поэтому вторичная обмотка может рассматриваться как источник переменного напряжения. Если вторичная цепь замкнута, то по ней потечет ток.
Как изменится ЭДС вторичной обмотки трансформатора, если переменный ток первичной обмотки заменить постоянным током: а) увеличится? б) уменьшится? в) не изменится? г) станет равной нулю?
В этом случае, в соответствии с положением (2) § 3.6, в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС, так как магнитный поток Ф = const. Трансформатор предназначен для работы на переменном токе.
Как зависит отношение Е\/Е2 от числа витков обмоток трансформатора W\ и w2: д) Е\/Е2 = w\/w2? е) Ex/E2 — w2/w\?
ЭДС в первичной и вторичной обмотках создаются одним и тем же магнитным потоком Ф, сцепленным с обеими обмотками. Поэтому в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая ЭДС Е. Ввиду последовательного соединения витков ЭДС первичной обмотки равна E\~w\E, а вторичной обмотки E2 = w2E. Из этого следует, что E\/E2 — W\_/W2.
При холостом ходе трансформатора во вторичной обмотке ток не протекает, поэтому, согласно выражению (2.18), напряжение на зажимах вторичной обмотки равно U2x — E2. С другой стороны, ввиду малого значения тока первичной обмотки, с достаточной точностью можно считать, что U\f&E\, т. е. что ЭДС самоиндукции £i полностью уравновешивает действие напряжения, приложенного к первичной обмотке (см. положение (2) § 4.5). Поэтому отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений:
Ui/U2x Е\/Е2 = w[/w2 = К, (7.1)
где К — коэффициент трансформации.
Коэффициентом трансформации называется отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора.
Из формулы (7.1) следует, что t/2= Uy/K■ Таким образом, трансформатор изменяет значение напряжения в К = w\/w2 раз.
Можно ли понижающий трансформатор использовать в качестве повышающего? — ж) да; з) нет.
Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением называют обмоткой высшего напрр- ж е н и я (ВН), а обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения,— обмоткой низшего напряжения (НН).
А как определить значения ЭДС трансформатора? Трансформатор можно упрощенно рассматривать как идеальную индуктивность. В § 4.5 показано, что для индуктивности и = — = Ши cos со/ = Ея cos со/, откуда Ем — =±= coL/M. Используя формулы (3.14), (3.17) и (4.3), получаем £м = = 2п/шФ„. Действующее значение
синусоидальной ЭДС Е = Ек/л[2 = 2nfwOM/^[2. Нетрудно подсчитать, что 2л/-^2 = 4,44, поэтому
Е = 4,44/шФ„, (7.2)
где f — частота; w — число витков обмотки трансформатора; Фм — амплитудное значение магнитного потока.
Выражение (7.2) принято называть формулой трансформаторной ЭДС.
К чему приведет удаление магнитопровода трансформатора: и) уменьшится номинальная мощность трансформатора? к) ЭДС во вторичной обмотке станет равной нулю?
Магнитное сопротивление ферромагнетика на два-три порядка меньше, чем у воздуха (см. § 3.3), поэтому практически весь магнитный поток первичной обмотки, не рассеиваясь по воздуху, замыкается по магнитопроводу. Если магнитопровод убрать, возрастет магнитный поток рассеяния и уменьшиться поток, связывающий обмотки, что приведет к резкому уменьшению ЭДС Е2 по формуле (7.2) (но не до нуля).
С другой стороны, ферромагнитный сердечник в сотни, тысячи раз увеличивает магнитную индукцию В (см. § 3.2), а значит, и магнитный поток Ф = BS. Это позволяет увеличивать энергию, передаваемую посредством магнитного потока из первичной обмотки во вторичную, и номинальную мощность трансформатора, равную мощности на зажимах вторичной обмотки.
Заметим, что в соответствии с формулой (3.16) энергия магнитного поля WM — BHV/2 (где V — объем магнитопровода), поэтому номинальная мощность трансформатора во многом определяется объемом магнитопровода. Промышленность выпускает как миниатюрные трансформаторы мощностью менее одного вольт-ампера, так и трансформаторы мощностью сотни тысяч киловольт- ампер, занимающие объем в десятки кубических метров.
Магнитопровод трансформатора состоит из тонких (обычно 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить в нем вихревые токи (см. § 3.6), а следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.
Иногда обмотки трансформатора наматыв!аются на магнитопровод, который в этом случае может быть кольцевым, выполненным из стальной ленты (рис. 7.3, й) . В большинстве случаев обмотки трансформатора выполняются отдельно в виде цилиндрических катушек, поэтому магнитопровод должен быть разборным (рис. 7.3,6), чтобы установить катушки.
В магнитопроводах стержневого типа (рис. 7.4) стержни, на которых расположены обмотки, сверху и снизу
Рис. 7.3
Рис. 7.4
замкнуты ярмом. Для уменьшения влияния воздушных зазоров сборка листов магнитопровода производится внахлестку (рис. 7.5).
В магнитопроводах броневого типа (рис. 7.6) обмотки трансформатора частично прикрываются («бронируются») ярмами.
В масляных трансформаторах обмотки и магнитопровод помещают в бак с трансформаторным (минеральным) маслом.
Рис. 7.6
четные
слои
Нечетные слои
ZZD □
Рис. 7.5
Каково назначение трансформаторного масла: л) для охлаждения обмоток и магнитопровода? м) для электрической изоляции? н) для обоих случаев?
В процессе работы обмотка и сердечник трансформатора нагреваются. При малых мощностях достаточно естественного воздушного охлаждения трансформаторов. Трансформаторы большой мощности (до десятков киловольт- ампер и более) выполняются с масляным охлаждением, ^^сло в процессе работы циркулирует и отводит тепло от.магнитопровода и обмоток к стенкам бака, что улучшает охлаждение трансформатора. В крупных трансформаторах делают принудительную циркуляцию масла.
На каждом трансформаторе имеется табличка, на которой указаны номинальная мощность трансформатора (мощность на зажимах вторичной обмотки), номинальное первичное напряжение (подводимое к первичной обмотке) и вторичное напряжение (напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостого хода и при номинальном первичном напряжении). По этим данным легко вычислить ТОКИ. Аном == 5ном/£^1ном » ^2пош 5 но м / LJ 2иои (ДЛЯ
однофазного трансформатора); = 8тм/(л[з иыом);
/2ном = 5„ом/(Уз ^2ном) (для трехфазного трансформатора).
Ответы: г, д, ж, и, н.
rt 1. Что такое трансформатор? 2. В чем его назначение? 3. Как j работает трансформатор? 4. Как можно определить на практике коэффициент трансформации? 5. Каково назначение магнитопровода трансформатора? 6. Какие бывают магнитопроводы? В чем достоинства масляных трансформаторов?
Рассмотрим режим нагрузки трансформатора (рис. 7.7, а), когда вторичная обмотка замкнута на сопротивление Z и по ней проходит ток 1ч. Регулируя Z, будем изменять ток.
Рис. 7.7
Как изменится ток первичной обмотки Л при увеличении тока вторичной обмотки /2: а) увеличится?
б) уменьшится? в) не изменится?
Потери энергии в силовых трансформаторах невелики (не более 3—5 %), поэтому можно считать, что мощности первичной и вторичной обмоток равны, т. е.
S\ = U\I i = S2 — U 2/2. (7-3)
Из этого выражения, считая U\ = const и Щ = const (пренебрегая падениями напряжений в сопротивлениях обмоток трансформатора), получаем, что Л = /2, т. е. ток первичной обмотки трансформатора изменяется пропорционально току вторичной обмотки (1).
Обмотки трансформатора электрически не связаны. Как же тогда происходит изменение тока 1\ при изменении тока /2? Взаимосвязь в работе обмоток осуществляется через магнитное поле.
Как изменится магнитный поток Ф при увеличении тока /2: г) увеличится? д) уменьшится? е) практически не изменится? '
На рис. 7.7, б показана структурно-логическая схема (СЛС) физических процессов трансформатора при нагрузке. Переменное напряжение U\ на входе трансформатора создает переменный ток образующий МДС первичной обмотки F\=I\W\, действующую по контуру магнитной цепи и создающую переменный магнитный поток Ф. Этот поток, с одной стороны, индуцирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции Е\, которая, по закону Ленца, уравновешивает действие напряжения LJ\. С другой стороны, переменный магнитный поток индуцирует ЭДС Е2 во вторичной обмотке трансформатора. Эта ЭДС создает ток /2, который образует МДС вторичной обмотки F2 = l2W2- По правилу Ленца, F2 противодействует магнитному потоку Ф, вызывающему эту МДС, т. е. противодействует МДС F1. При этом значение тока 1\ строго определенное —■ такое, чтобы вызвать ЭДС Е\, уравновешивающую действие U1 полностью (потерями в обмотках пренебрегаем).
Таким образом, с увеличением тока /2 возрастает МДС F2 = I2W2, стремящаяся уменьшить магнитный поток Ф. Но уменьшение Ф приводит к уменьшению Е[ по формуле (7.2) и нарушению равновесия между Ui и Е\, вызывающему увеличение тока /i до такого значения, чтобы восстановить прежние значения магнитного потока и ЭДС Е\. Итак, при изменении нагрузки трансформатора значение магнитного потока практически не изменяется (2).
(
Поэтому не изменяется и энергия магнитного поля трансформатора при изменении нагрузки? — ж) да;
з) нет.
Подставляя в формулу энергии магнитного поля Wu — = HBV/2 выражение В = Ф/S, получаем WM = ЯФ1/Д25). В этом выражении магнитный поток Ф, объем магнитопровода V и площадь его поперечного сечения S неизменны, а изменение энергии магнитного поля происходит за счет изменения напряженности Н (см. § 3.1) , создаваемой током /1. При /1=0 # = 0 и WM — 0. С увеличением 1\ возрастает Н и Wu. Иначе и быть не может, ведь магнитное поле — материальный посредник, через который передается энергия от первичной обмотки трансформатора ко вторичной.
Какой ток у понижающего трансформатора больше:
и) ток первичной обмотки /i? к) ток вторичной обмотки /г?
Из формул (7.3) и (7.1) следует, что
Ux/U2 = I2/h = K, (7.4)
откуда /г = К1\, т. е. у понижающего трансформатора вторичный ток в К = w\/w2 раз больше первичного. Таким образом, понижающий трансформатор, передавая мощность Si = U\I\ из первичной обмотки во вторичную, уменьшает напряжение и увеличивает ток.
До сих пор мы пренебрегали потерями в трансформаторе. Если их учесть, то при увеличении тока первичной обмотки этот ток вызовет рост падения напряжения в сопротивлениях первичной обмотки, поэтому, хотя и незначительно, но уменьшается ЭДС Е\ и магнитный поток Ф, что приведет к уменьшению ЭДС Е2 и напряжения на зажимах вторичной обмотки U2. Кроме этого, U2 уменьшится также за счет падения напряжения на сопротивлениях вторичной обмотки. Поэтому при переходе от холостого хода к режиму номинальной нагрузки произойдет изменение напряжения на выходе трансформатора на значение AU (в процентах), называемое процентным изменением напряжения:
AU = [(U2x- t/гном)/С/а*] Ю0%.
Процентное изменение напряжения трансформатора составляет обычно 2—3 %.
Верно ли, что трансформатор большой мощности имеет меньшее значение КПД, чем маломощный трансформатор?—л) да; м) нет.
При работе трансформатора имеют место потери в обмотках (электрические) и в магнитопроводе (магнитные).
Мощность электрических потерь Рэ, обусловленная нагревом обмоток трансформатора, пропорциональна квадрату тока и определяется суммой электрических потерь в первичной и вторичной обмотках:
P3 = HRx + I32R2, . (7.5)
где R1 и R2 — активные сопротивления первичной и вторичной обмоток. I
Магнитные потери происходят главным образом в vfai> нитопроводе. Причина этих потерь — систематическое пе- ремагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Это перемагничивание .вызывает в магнитопроводе два вида потерь: потери от гистерезиса Рг (см. § 3.2), связанные с затратой энергии на преодоление остаточного магнетизма в ферромагнитном материале и пропорциональные площади петли гистерезиса (см. рис. 3.8), и потери от вихревых токов Рв, наводимых переменным магнитным полем в пластинах магнитопровода:
Ры=Рг + Р..
С целью уменьшения магнитных потерь магнитопроводы выполняют из магнитомягкого ферромагнитного материала — электротехнической стали. При этом магнитопровод выполняется не сплошным, а из тонких электрически изолированных друг от друга листов (для уменьшения потерь от вихревых токов).
Мощность магнитных потерь значительно возрастает при увеличении напряжения (PM = t/2) и частоты. Кроме того, она зависит от материала сердечника и его массы (объема).
Мощность магнитных потерь определяют при испытаниях трансформатора в режиме холостого хода (рис. 7.8) при номинальном напряжении, когда /2 = 0, 1\ незначительный. При этом электрические потери по формуле (7.5) Рэ ~ 0. Следовательно, показание ваттметра равно мощности магнитных потерь. Заметим, что в соответствии с положением (2) магнитные потери в трансформаторе не зависят от его нагрузки.
Мощность электрических потерь в номинальном режиме определяется при испытаниях трансформатора в режиме короткого замыкания (рис. 7.9) при номинальном токе. Для создания этого режима требуется незначительное напряжение, составляющее (0,05—0,l)t/i„oM, поэтому
а.
£
(
Г
магнитный поток, а значит, и магнитные потери невелики, Рм л; 0. Следовательно, показание ваттметра равно номи- n нальной мощности электрических потерь.
! Общая мощность потерь в трансформаторе Р = Рм + i +ЯЭ определяет КПД трансформатора:
Л = Р2/Я1 =* (Р. - Рм - P,)/Pl = 1 - (Рм + Рэ)/Рь
\ Как правило, чем выше номинальная мощность силового трансформатора, тем больше его КПД. Так, при
‘ S„0M = 5 кВ • А т1„Ом = 0,96, а при S„OM=10 000 кВ • А
; т]„ом = 0,993.
; Значение КПД трансформатора зависит от его нагруз-
? ки. Наибольший КПД трансформатор имеет при нагрузке
I (0,5—0,7)S„OM, что соответствует средней эксплуатацион-
ь ной нагрузке трансформатора.
| Значение КПД трансформатора зависит также от коэф-
Е фициента мощности cos фг приемника (см. § 4.9). Так,
| при cos фг — 0 активная мощность нагрузки Р2 =
I = S2 cos ф2 = 0 и г] = Р2/Р1 = 0. Чем выше коэффициент
\ мощности, тем больше Р2, а значит, и КПД трансформа-
L тора.
I Ответы: а, е, з, к, м.
-Карточка № 7.2 (175)
i !
Устройство трансформатора
нение напряжения трансформатора и от каких факторов оно зависит?
4. От чего зависят электрические и магнитные потери трансформатора?
5. Каким образом можно повысить КПД трансформатора?
Трехфазный трансформатор. Передача и распределение электрической энергии чаще всего осуществляется на трехфазном токе (см. § 5.1). При этом для повышения и понижения напряжения, как правило, используются трехфазные трансформаторы.
3?
1. Почему магнитный поток трансформатора практически не зависит от нагрузки? 2. Какой будет СЛС (рис. 7.7, б) для режима * холостого хода трансформатора? 3. Что такое процентное изме
2