Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

Тема 4. Трансформаторы.

Общие сведения о трансформаторах.

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Условно - графическое обозначение однофазного трансформатора (рис.4.1)

Рис. 4.1

Классификация трансформаторов:

1. по назначению – силовые, специальные (импульсные, сварочные, измерительные, разделительные, автотрансформаторы);

2. по виду охлаждения – воздушные, масляные;

3. по числу трансформируемых фаз – однофазные, трехфазные;

4. по числу обмоток на одну фазу – однообмоточные, двухобмоточные, многообмоточные;

5. по форме магнитопровода (сердечника) (рис. 4.2) – стержневые (а), броневые (б), бронестержневые (в), тороидальные (г), пластинчатые, ленточные.

Специальные виды трансформаторов (рис.4.3):

1) кабельные 2) шпулечные 3) обращенный тор

Рис. 4.3

Рис. 4.2

Источники информации:

1. А.С.Касаткин § 6.1

2. А.Я.Шихин § 66

3. Л.В.Усс § 7.1

4. В.Е. Китаев § 56

Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

4.2.1. УСТРОЙСТВО ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА.

Однофазный трансформатор состоит из двух обмоток и магнитопровода (сердечника).

Обмотки трансформатора выполняют из медных или алюминиевых обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения. Обмотка, подключаемая к источнику питания, называется первичной, а к нагрузке - вторичной. Назначение обмоток - создание электромагнитных полей. У трансформатора различают обмотку высшего напряжения ВН (рассчитана на высокое напряжение) и обмотку низшего напряжения НН (рассчитана на низкое напряжение).

Обмотка высшего напряжения имеет большее количество витков, выполняется из более тонкого провода, у нее большее сопротивление, в ней протекает меньший ток.

Обмотка низшего напряжения имеет меньшее количество витков, выполняется из более толстого провода, у нее меньшее сопротивление, в ней протекает больший ток.

По взаимному расположению обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся.

Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров (рис. 4.4); ближе к стержню располагают обмотку низшего напряжения (НН), а наружу – обмотку высшего напряжения(ВН).

Концентрические обмотки бывают:

1. цилиндрические

2. винтовые

3. непрерывные

Рис. 4.4

Чередующиеся (дисковые) обмотки (рис.4.5) выполняются в виде отдельных секций (дисков). Обмотки НН и ВН чередуются.

Применяются редко для трансформаторов специального назначения.

Рис. 4.5

Магнитопровод (сердечник) имеет шихтованную конструкцию, состоит из тонких (толщиной 0,3 – 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой. Назначение магнитопровода:

§ усиливать магнитную связь между обмотками;

§ для установки крепления обмоток, отводов, переключателей.

4.2.2. Принцип действия трансформатора.

Принцип действия трансформа тора основан на явлении электромагнитной индукции. Это явление возникновения ЭДС в проводнике или контуре под действием магнитного поля.

При включении первичной обмотки в цепь с переменным напряжением по ней начнет протекать переменный ток, который создаст вокруг обмотки переменное магнитное поле. Это поле пронизывает витки первичной обмотки и наводит в ней ЭДС самоиндукции . Основная часть созданного магнитного потока будет замыкаться по сердечнику, пронизывать витки вторичной обмотки и создавать в ней ЭДС взаимоиндукции . При подключении нагрузки к вторичной обмотке в ней будет протекать переменный ток.

Действующие значения ЭДС в первичной и вторичной обмотках соответственно будут равны:

Е₁=

Е₂=

Отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации:

В режиме холостого хода коэффициент трансформации можно определить, как , т.к. ток во вторичной обмотке отсутствует, следовательно, падения напряжения на обмотке нет, и можно считать, что .

В первичной обмотке протекает небольшой ток холостого хода, поэтому можно считать, что .

Магнитный поток трансформатора в процессе работы трансформатора (в пределах от холостого хода до номинальной нагрузки) остается практически неизменным и его величина определяется т оком холостого хода трансформатора.

Изменения магнитного потока, возникающие при изменении нагрузки, будут скомпенсированы изменением магнитного потока вторичной обмотки, который согласно закону Ленца направлен встречно магнитному потоку первичной обмотки.

Пренебрегая током холостого хода, коэффициент трансформации приблизительно можно определить как .

Зависимость вторичного напряжения трансформатора от тока нагрузки называется внешней характеристикой трансформатора.

Вид внешней характеристики зависит от характера нагрузки трансформатора (рис.4.6)

Рис. 4.6

- изменение вторичного напряжения трансформатора

Источники информации:

1. А.С.Касаткин § 6.1

2. А.Я.Шихин § 66, 67.

3. Л.В.Усс § 7.2, 7.3

4. В.Е. Китаев § 57, 58

Задачи для самостоятельного решения:

4.1. Определить коэффициент трансформации однофазного трансформатора, если известно, что число витков вторичной обмотки: а) в четыре раза больше, чем в первичной обмотке.; б) в три раза меньше, чем в первичной обмотке.

4.2. Напряжение на первичной обмотке трансформатора равно 6,3 кВ. Определить коэффициент трансформации, если напряжение на выводах вторичной обмотки 400 В. Найти число витков первичной обмотки, если число витков вторичной обмотки равно 150.

4.3. Число витков первичной обмотки трансформатора равно 100, вторичной - 500. Определить напряжение на вторичной обмотке при подключении его к сети переменного напряжения 220 В. Найти ток вторичной обмотки трансформатора, если ток первичной обмотки равен 10 А.

4.4. Однофазный трансформатор с номинальной мощностью S_ном = 1600 кВА включен в сеть с напряжением U = 10000 В. При холостом ходе трансформатора напряжение на зажимах вторичной обмотки U₂ = 400 В. Определить коэффициент трансформации и число витков первичной обмотки, если число витков вторичной обмотки w₂ = 32.

4.5. Как изменится напряжение на вторичной обмотке трансформатора при увеличении мощности нагрузки (характер нагрузки – активный)?

4.6. В каком случае напряжение на вторичной обмотке нагруженного трансформатора может оказаться выше напряжения холостого хода?

§ 4.3.Потери мощности в трансформаторе и КПД трансформатора.

4.3.1. ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В ТРАНСФОРМАТОРЕ.

В трансформаторе возникает два вида потерь мощности:

1. Электрические потери Р _эл - возникают в обмотках трансформатора и обусловлены их нагреванием при протекании по ним электрического тока. Электрические потери зависят от величины сопротивления обмоток и силы тока: ;

2. Магнитные потери Р_м - возникают в магнитопроводе из-за переменного магнитного поля. Магнитные потери состоят из двух видов потерь:

§ потери от вихревых токов

§ потери из-за гистерезиса , которые вызваны периодическим перемагничиванием сердечника переменным магнитным полем.

Магнитные потери зависят от конструкции магнитопровода, его массы, материла, частоты тока ( ~ ), величины магнитной индукции(~ ), напряжения(~ ).

Потери мощности в трансформаторе определяются из опыта холостого хода () и короткого замыкания ().

При проведении опыта холостого хода (рис.4.7) на вторичной обмотке трансформатора отсутствует нагрузка. На первичную обмотку трансформатора подается номинальное напряжение U₁_ном, при этом ток во вторичной обмотке трансформатора отсутствует, а в первичной обмотке протекает ток холостого хода, составляющий 5 - 10 % от номинального тока (I_1ХХ = (5 - 10)% I_{1 ном}).

Рис. 4.7

Из опыта холостого хода определяется:

1) коэффициент трансформации

2) мощность магнитных потерь Р_м (электрическими потерями можно пренебречь)

При проведении опыта короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко (рис.4.8).На первичную обмотку трансформатора подается пониженное напряжение U_1КЗ= (5 - 10)% U_1ном так, чтобы в обмотках протекали номинальные токи. При этом ваттметр показывает мощность электрических потерь Р_эл, т.к. магнитными потерями можно пренебречь.

4.3.2. КПД ТРАНСФОРМАТОРА.

КПД трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на выходе первичной обмотки.

Рис. 4.9

КПД трансформатора зависит:

1) от конструкции трансформатора;

2) от степени загрузки трансформатора (рис 4.9).

Максимальный КПД будет у трансформатора с коэффициентом загрузки β = 0,45..0,65 ().

3) от характера нагрузки (наибольший КПД трансформатор имеет при активной нагрузке).

Источники информации:

1. А.С.Касаткин § 6.1 (с.113), 6.2, 6.7

2. А.Я.Шихин § 69

3. Л.В.Усс § 7.3 с.156

4. В.Е. Китаев § 61

Задачи для самостоятельного решения:

4.7. Чему равен КПД трансформатора, если общие потери составляют 8% от мощности, потребляемой нагрузкой?

4.8. Потери мощности в режиме холостого хода Р_х = 150 Вт, в режиме короткого замыкания Р_к = 500 Вт. Вычислить КПД трансформатора при номинальном режиме, если коэффициент мощности в этом режиме равен cos φ = 0,9, а мощность нагрузки S₂ = 5 кВА.

4.9. Трансформатор подключили к сети переменного тока с напряжением U = 220 В. Ток первичной обмотки I₁ = 7,1 А. Определить cos φ₁, если мощность во вторичной обмотке трансформатора Р = 1 кВт, а КПД трансформатора η = 0,8.

4.10. Имеется два одинаковых трансформатора. У одного сердечник изготовлен из листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм, а другого - 0,5 мм. У какого из трансформаторов более высокий КПД?

4.11. Изменятся ли потери на гистерезис, если сердечник трансформатора из отдельных листов электротехнической стали заменить на монолитный сердечник из стали той же марки?

4.12. Какие неисправности могут быть в трансформаторе, если: а) возросла мощность магнитных потерь; б) возросла мощность электрических потерь?

4.13. Как изменится КПД трансформатора, если магнитопровод из электротехнической стали заменить на магнитопровод, изготовленный из листов обыкновенной стали?

Типы трансформаторов.

4.4.1. АВТОТРАНСФОРМАТОР.

Автотрансформатор - это трансформатор, имеющий на сердечнике только одну обмотку, к разным точкам которой подсоединены первичная и вторичная цепи (рис.4.10).

Коэффициент трансформации:

Достоинства:

1. Меньший расход материала для обмоток и сердечника.

2. Меньшие габариты, более дешёвый.

3. Меньшие потери мощности, более высокий КПД.

Рис. 4. 10

4. Возможность плавного регулирования напряжения.

Недостатки:

1, Электрическая связь между обмотками (отсутствие гальванической развязки), что может привести к попаданию высокого напряжения в цепь низкого напряжения.

2. Невысокий коэффициент трансформации (К = 1,5 - 2).

3. Большие токи короткого замыкания.

ЛАТР - лабораторный автотрансформатор.

4.4.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ.

Измерительные трансформаторы применяются для расширения пределов измерения приборов переменного тока.

Различают измерительные трансформаторы напряжения и измерительные трансформаторы тока.

Измерительные трансформаторы напряжения служат для включения вольтметров и обмоток напряжения других измерительных приборов и реле. Такие трансформаторы отделяют цепи высокого напряжения от измерительных цепей, что обеспечивает безопасность обслуживающего персонала и упрощает изоляцию токоведущих цепей.

Принципиальная схема трансформатора напряжения и включение его в сеть высокого напряжения показана на рис. 4.11.

Измеряемое высокое напряжение U₁ подается на первичную обмотку трансформатора с выводами А и Х; к вторичной обмотке низшего напряжения U₂ с выводами а и х подключается вольтметр. Так как сопротивление вольтметра очень велико, то трансформатор напряжения работает в режиме, близком к холостому ходу.

Номинальный коэффициент трансформации:

Рис. 4. 1 1

Трансформатор напряжения так же, как и измерительные приборы, имеют класс точности 0,5; 1,0; 3,0.

Измерительные трансформаторы тока служат для включения амперметров и токовых обмоток других измерительных приборов. Принципиальная схема трансформатора тока и схема его включения показана на рис.4. 12.

Первичная обмотка трансформатора с выводами Л1 и Л2 включается в цепь или линию, в которой определяется ток I, а вторичная обмотка с выводами И1 и И2 замыкается амперметром. Сопротивление амперметра очень мало, поэтому трансформатор работает в режиме, близком к короткому замыканию.

Рис. 4. 12

Ток I₁ находится по показаниям амперметра через коэффициент трансформации:

I₁ = K I₂.

Трансформатор тока имеет классы точности 0,2; 0.5; 1; 3; 10.

У трансформатора тока, включенного в линию нельзя размыкать вторичную обмотку, т.к. в этом случае возрастает ЭДС вторичной обмотки и потери в стали, что может привести к опасным для жизни перенапряжениям и разрушению изоляции. Если во время работы необходимо отсоединить амперметр, то предварительно вторичная обмотка закорачивается специально для этого предназначенным рубильником Q.

4.4.3. СВАРОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР.

Сварочный трансформатор предназначен для понижения напряжения от 220 В или 380 В до 60 - 70 В (дуговая электросварка) или до 14 В (контактная сварка).

Дроссель

Сварочные трансформаторы рассчитаны на работу при больших силах тока - порядка 300 А, а также и при режиме короткого замыкания. Сила тока короткого замыкания ограничивается путем увеличения индуктивного сопротивления обмотки. Это достигается благодаря использованию магнитных шунтов, включаемых в магнитопровод, или изменению воздушного зазора в магнитопроводе индуктивной катушки, соединенной последовательно с вторичной обмоткой трансформатора (рис.4.13).

1 - первичная обмотка;

2 - сердечник;

3 - вторичная обмотка;

4 - обмотка дросселя;

5 - неподвижная часть сердечника;

6 - подвижная часть сердечника;

7 - винтовое соединение;

Рис. 4. 1 3

а - зазор.

Источники информации:

1. А.С.Касаткин § 6.1 (с.113), 6.2, 6.7

2. А.Я.Шихин § 71, 73

3. Л.В.Усс § 7.4

4. В.Е. Китаев § 62, 63

Задачи для самостоятельного решения:

4. 14. Первичная обмотка регулировочного автотрансформатора имеет 1200 витков и включена в сеть напряжением 380 В. Какое наименьшее напряжение можно получить на выводах вторичной обмотки, если толщина щетки автотрансформатора перекрывает три витка?

4.15. Автотрансформатор с числом витков 450 подключен в сети переменного тока с напряжением 220 В. В каких местах нужно сделать выводы, чтобы можно было снимать напряжения 10, 50, 75, 100, 127 и 150 В?

4.16. Автотрансформатор включен в сеть переменного тока с напряжением 220 В. Ток в первичной обмотке I₁ = 9 А. Определить ток во вторичной цепи, если U₂ = 127 В. Потерями в автотрансформаторе пренебречь.

4.17. Определить число витков вторичной обмотки трансформатора напряжения, если первичная обмотка рассчитана на напряжение U = 6000 В и имеет 12000 витков, а вторичная - на U = 100 В.

4.18.Трансформатор напряжения имеет первичную и вторичную обмотки с числом витков w ₁ = 20000, w ₂ = 200. К вторичной обмотке присоединен вольтметр, рассчитанный на напряжение 100 В. Определить коэффициент трансформации и максимальное напряжение, которое можно измерить в сети.

4.19. Определить число витков вторичной обмотки трансформатора тока, если первичная обмотка рассчитана на ток I = 1000 А и имеет один виток, а вторичная - на I = 5 А.

4.20. Через амперметр, включенный в цепи через трансформатор тока ТЛ - 35К, рассчитанный на ток 600 / 5 А, проходит ток I₂ = 425 А. Определить ток в первичной цепи.

4.21. Измерительный трансформатор тока имеет обмотки с числом витков w ₁ = 2, w ₂ = 100. Определить коэффициент трансформации, номинальный ток первичной обмотки трансформатора и ток вторичной обмотки, если к вторичной обмотке подключен амперметр, рассчитанный на 5 А, а ток потребителя I = 95 A.

4.22. Амперметр со шкалой 0 - 500 делений, рассчитанный на ток 5 А, включен в цепь через трансформатор тока 400 / 5 А. Какой ток проходит в первичной и вторичной обмотках трансформатора, если амперметр показывает 350 делений?

4.23. Во вторичной цепи трансформатора тока произошел обрыв. Уменьшатся или увеличатся потери трансформатора? К чему приводит разрыв вторичной цепи трансформатора тока?

4.4.4. Трехфазные трансформаторы.

Сердечник трехфазного трансформатора имеет трехстержневую конструкцию.

Обмотки трехфазного трансформатора расположены на стержнях так же, как и в однофазном трансформаторе, т.е. обмотка низшего напряжения НН размещается ближе к стрежню, а обмотки высшего напряжения ВН - на обмотках низшего напряжения. Начала обмоток высшего напряжения обозначаются прописными буквами А, В, С, а концы фаз - X, Y, Z. Если обмотка высшего напряжения имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается цифрой 0. Начала обмоток низшего напряжения обозначаются строчными буквами a, b, c, концы фаз - x, y, z; вывод нулевой точки 0.

Обмотки трехфазного трансформатора могут соединяться звездой и треугольником, зигзагом (рис.4.14).

Рис. 4. 1 4

Схемы соединения обмоток обозначают дробью, в числителе указывается схема соединения обмоток ВН, а в знаменателе – обмоток НН() или группой (определяется цифрой циферблата, на которую указывает вектор линейного напряжения при условии, что вектор линейного напряжения первичного напряжения на “ ноль часов”)(рис.4.15).

На практике нашли применение следующие способы соединения обмоток трехфазного трансформатора: Y /Y₀ или Y / Y; Y / Δ; Δ / Δ. По ГОСТу приняты для эксплуатации только три группы соединения: Y / Y - 12; Y / Δ - 11 и Y₀ / Δ - 11.

Коэффициент трехфазных трансформаторов определяется как отношение линейных напряжений первичной и вторичной цепи.

При соединении Y/ Y, Δ / Δ рассчитывается по формулам:

При соединении Y / Δ, Δ / Y коэффициент трансформации выражается следующими формулами:

На каждом трансформаторе имеется щиток, на котором указывается тип трансформатора, его номинальная мощность, номинальные напряжения (линейные), потери в режимах холостого хода и короткого замыкания, напряжение короткого замыкания в процентах от номинального напряжения, линейные токи при номинальной мощности, частота, число фаз, схема и группа соединения обмоток.

Источники информации:

1. А.С.Касаткин § 6.8, 6.9

2. А.Я.Шихин § 70.

3. Л.В.Усс § 7.4 с.157

4. В.Е. Китаев § 59

Задачи для самостоятельного решения:

4.24. Трехфазный трансформатор имеет число витков на фазу в первичной обмотке w ₁ = 2080, вторичной w ₂ = 80. Первичное линейное напряжение U₁ = 10 кВ. Определить коэффициент трансформации при следующих группах соединений: а) Y / Y; б) Y / Δ; в) Δ / Y; г) Δ / Δ - и напряжение на вторичной обмотке при заданных соединениях.

4.25. Трехфазный трансформатор с группой соединения обмоток Y / Y имеет фазные напряжения U₁ = 3000 В и U₂ = 220 В. Определить число витков в каждой фазе обмоток высшего и низшего напряжений, если магнитный поток в сердечнике Ф = 2,1 · 10^-2 Вб, а f = 50 Гц.

4.26. Определить ток в первичной и вторичной обмотках трехфазного трансформатора, соединенных по схеме Y / Y, который работает на осветительную сеть с нагрузкой Р₂ = 45 кВт, если известны U₁_ном= 6000 В, U₂_ном = 220 В, cos φ = 0,9.

4.27. Трехфазный трансформатор с числом витков на фазу w1 = 1836 и w2 = 135 подключен к трехфазной сети с линейным напряжением 3000 В. Определить коэффициент трансформации и вторичные линейные напряжения для соединений обмоток Y / Y и Y / Δ.

4.28. Первичную обмотку трехфазного трансформатора вместо соединения по схеме «треугольник» соединили по схеме «звезда». Как повлияет такое соединение на ток холостого хода; на потери в стали, в меди; на значение магнитной индукции?