Трансформатор для технических целей

ЛЕКЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРЫ Общие сведения о трансформаторах Трансформатор для технических целей впервые был применен П.Н. Яблочковым в 1876 году для питания электрических свечей. Широкое применение трансформаторы получили после того, как М.О. ДоливоДобровольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора (1891г.) Трансформатор (тр-р) - это статическое (т.е. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины, но той же частоты. Классификация трансформаторов Однофазный Трехфазный трансформатор трансформатор ТРАНСФОРМАТОРЫ Специального назначения Сварочный Авто Измерительные трансформатор трансформатор трансформаторы тр-р тока тр-р напряжения Основные условные графические обозначения однофазного (а, б, в) и трехфазного (г, д, е) трансформаторов показаны на рис.1. На паспортном щитке трансформатора указывается его номинальное напряжение - высшее и низшее, в соответствии с чем следует различать обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН) трансформатора. Кроме того, на щитке указывается номинальная полная мощность (В×А или кВ×А), токи (А) при номинальной полной мощности, частота, число фаз, схема соединения, режим работы (длительный или кратковременный) и способ охлаждения (воздушный или масляный). а б в Ё г Рисунок 1 1 д е Однофазный трансформатор Устройство Внешний вид трансформатора представлен на рисунке 2. Рисунок 2. Однофазный трансформатор: а) стержневой; б) броневой Структурная схема однофазного трансформатора представлена на рисунке 3. Рисунок 3. Структурная схема однофазного трансформатора Трансформатор состоит из двух и более обмоток, электрически изолированных друг от друга и охваченных общим магнитным потоком. Для усиления индуктивной связи между обмотками они размещаются на магнитопроводе. Для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из листовой электротехнической стали, являющейся ферромагнитным материалом. Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания, называется первичной. Все величины, относящиеся к этой обмотке: число витков, напряжение, ток и т.д. - также именуются первичными. Их буквенные обозначения снабжаются индексом 1, например v 1 , u1 , I1. Обмотка, к которой подключается нагрузка (потребитель электроэнергии), и относящиеся к ней величины называются вторичными. Они снабжаются индексом 2. Если первичное напряжение U1 трансформатора меньше вторичного U2, то он работает как повышающий трансформатор; в противном случае (U1> U2) - как понижающий. 2 Принцип работы однофазных трансформаторов При подключении источника напряжения к первичной обмотке трансформатора, в ней возникает переменный ток, следовательно образуется электрическое поле, порождающее магнитное поле (магнитный поток - Ф). Силовые линии магнитного поля пронизывают вторичную обмотку (силовые линии магнитного поля благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру) и на основании закона электромагнитной индукции происходит изменение магнитного потока и индуцируется ЭДС во вторичной обмотке. В результате во вторичной обмотке образуется переменный ток другого напряжения (отличного от напряжения первичной обмотки) . Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения индуцируемых в обмотке ЭДС можно записать в виде: E1= 4,44fw1Фm E2= 4,44fw2Фm, где f- частота переменного тока; w1, w2 - число витков обмоток. Отношение чисел витков обмоток трансформатора называют коэффициентом трансформации. Типы трансформаторов 1. понижающий - количество витков в первичной обмотке меньше, чем число витков во вторичной обмотке, следовательно выходное напряжение меньше входного: W1W2, то U1>U2 Трехфазный трансформатор Устройство Трехфазный трансформатор представляет собой статический аппарат с тремя парами обмоток, предназначенный для преобразования напряжения при передаче электрического тока на дальние дистанции. В трехфазном трансформаторе три обмотки расположены на общем магнитопроводе. Трехфазные аппараты успешно применяют в сетях мощностью до 60 кВА. Внешний вид трансформатора представлен на рисунке 4. 3 Рисунок 4. Трехфазный трансформатор Устройство Трехфазный трансформатор имеет основу – магнитный сердечник, собранный из трёх ферромагнитных стержней (Рисунок 6). Магнитопровод изготавливают из тонких стальных пластин (так называемая, электротехническая листовая сталь). Чтобы сократить потери, стальные листы между собой изолируют, используя оксидную пленку или специальный лак. На стержнях располагаются первичная обмотка высокого напряжения и вторичная обмотка низкого напряжения. Для соединения фаз первичных обмоток применяют схемы «треугольник» либо «звезда». Аналогичным способом соединения выполняются и вторичные обмотки. Рисунок 6. Устройство трехфазного трансформатора 4 Принцип работы трехфазных трансформаторов На первичную обмотку подаётся трехфазный переменный ток из питающей сети, а ко вторичную обмотке подключается нагрузка. Обмотки с магнитопроводом погружаются в бак, в котором находится трансформаторное масло. Оно одновременно выполняет функцию изоляции и охлаждающей среды. Такие трансформаторы называются масляными. Трехфазный трансформатор, у которого в качестве охлаждения и изоляции используется воздух, называют сухим. Недостаток масляных трансформаторов заключается в повышенной пожароопасности. При подключении первичной обмотки в сеть в ней начинает протекать трехфазный переменный ток, следовательно образуются 3 магнитных поля (магнитных поток), сдвинутые относительно друг друга на 1200. Силовые линии этих магнитных полей пронизывают вторичные обмотки и на основании закона электромагнитной индукции происходит изменение магнитного потока и индуцируются ЭДС во вторичных обмотках. В результате во вторичных обмотках образуется переменный ток другого напряжения (отличного от напряжения первичной обмотки) . Способы соединения обмоток трехфазного трансформатора 1) соединение первичных и вторичных обмоток звездой (рис. 7, а); 2) соединение первичных обмоток звездой, вторичных - треугольником (рис. 7, б); 3) соединение первичных обмоток треугольником, вторичных звездой (рис. 7, в). Рисунок 7. Способы соединения обмоток трехфазного трансформатора При соединении обмоток по схеме звезда – звезда: с = Uл2 / Uл1 = Ö3 Uф2 /( Ö3 Uф1)=КТ при соединении обмоток по схеме звезда-треугольник: с = Uл2 / Uл1 = Uф2 / (Ö3 Uф1) )= КТ /√3 при соединении обмоток по схеме треугольник – звезда: 5 с = Uл2 / Uл1 = Ö3Uф2 / Uф1= КТ где: КТ – коэффициент трансформации. Трансформаторы специального назначения Сварочный трансформатор Устройство сварочного трансформатора представлено на рисунке 8. Рисунок 8. Сварочный трансформатор Принцип действия аналогичен принципу действия однофазного трансформатора. При подключении источника напряжения к первичной обмотке трансформатора, в ней возникает переменный ток, следовательно образуется электрическое поле, порождающее магнитное поле (магнитный поток - Ф). Силовые линии магнитного поля пронизывают вторичную обмотку (силовые линии магнитного поля благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру) и на основании закона электромагнитной индукции происходит изменение магнитного потока и индуцируется ЭДС во вторичной обмотке. В результате во вторичной обмотке образуется переменный ток другого напряжения (отличного от напряжения первичной обмотки) . Сварочный трансформатор, как правило бывает понижающим. Автотрансформатор Автотрансформатор - это устройство для изменения напряжения переменного тока при сохранении его частоты, основанное на эффекте электромагнитной индукции, которое имеет одну общую обмотку на магнитопроводе и не менее трёх выводов от неё. Таким образом, особенностью автотрансформатора является наличие всего одной обмотки, часть витков которой выполняют функцию первичной обмотки, а часть вторичной(Рисунок 9). 6 Рисунок 9. Автотрансформатор Обозначение автотрансформатора на схемах представлено на рисунке 10. Рисунок 10. Обозначение автотрансформатора на схемах В зависимости от включения обмоток автотрансформатора можно получить повышение или понижение напряжения (рисунок 11). Рисунок 11. Схемы однофазных автотрансформаторов: а - понижающего, б - повышающего. Если присоединить источник переменного напряжения к точкам А и Х, то в сердечнике возникнет переменный магнитный поток. В каждом из витков обмотки будет индуктироваться ЭДС одной и той же величины. Очевидно, между точками а и Х возникнет ЭДС, равная ЭДС одного витка, умноженной на число витков, заключенных между точками а и Х. Если присоединить к обмотке в точках a и Х какую-нибудь нагрузку, то вторичный ток I2 будет проходить по части обмотки и именно между точками a и Х. Но так как по этим же виткам проходит и 7 первичный ток I1, то оба тока геометрически сложатся, и по участку aХ будет протекать очень небольшой по величине ток, определяемый разностью этих токов. Это позволяет часть обмотки сделать из провода малого сечения, чтобы сэкономить медь. Если принять во внимание, что этот участок составляет большую часть всех витков, то и экономия меди получается весьма ощутимой. Таким образом, автотрансформаторы целесообразно использовать для незначительного понижения или повышения напряжения, когда в части обмотки, являющейся общей для обеих цепей автотрансформатора, устанавливается уменьшенный ток что позволяет выполнить ее более тонким проводом и сэкономить цветной металл. Одновременно с этим уменьшается расход стали на изготовление магнитопровода, сечение которого получается меньше, чем у трансформатора. Параметры трансформатора Основными параметрами трансформатора являются: - коэффициент трансформации; - коэффициент полезного действия. Коэффициентом трансформации называется отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки. КТ = "! "" = #! #" $ = $! " Если КТ >1 , то трансформатор называется понижающим (U1 > U2), а если КТ < 1 - то повышающим. где: U2 - напряжение на первичной обмотке, В; U2 - напряжение на вторичной обмотке, В; W1 – число витков первичной катушки; W2 - число витков вторичной катушки Коэффициент полезного действия (КПД) – это отношение полезной мощности, выделяемой в нагрузке, к затраченной мощности, потребляемой от источника, выраженное в процентах. где: Р1 – полезная мощность, выделяемая в нагрузке, Вт; Р2 – затраченная мощность, потребляемая от источника, Вт; Рсм = Ргистер + Рвихр.токи где: Рм1 – мощность тепловых потерь в первичной катушке, Вт; Рм2 - мощность потерь во вторичной катушке, Вт; Рсм – мощность потерь в сердечнике, обусловленная потерями на 8 гистерезис и вихревые токи, Вт. Общие потери – это разность мощностей источника и потребителя энергии. в понижающем трансформаторе в повышающем трансформаторе Измерительные трансформаторы Измерительные трансформаторы применяются в качестве элементов измерительных устройств при измерении токов и напряжений, величины которых больше номинальных значений для соответствующих измерительных приборов. Измерительный трансформатор напряжения Измерительный трансформатор напряжения служит для понижения высокого напряжения, подаваемого в установках переменного тока на измерительные приборы и реле защиты и автоматики (Рисунок 12). Рисунок 12. Измерительные трансформаторы напряжения Он состоит из обмоток: первичной и одной либо нескольких вторичных и стального сердечника, набранного листами электротехнической стали. Первичная обмотка имеет большее количество витков, в сравнении со вторичной. На первичную — подается напряжение, которое требуется измерить, а ко вторичным — подключаются ваттметр и пр. измерительные аппараты. Поскольку ваттметр имеет значительное сопротивление, то по вторичной принято считать, что протекает малый ток. Поэтому полагают, что измерительный трансформатор напряжения функционирует в режимах близких к холостому ходу. Стандартное номинальное напряжение вторичной обмотки не бывает более 100 В и имеет рабочий ток от 1 до 5 А. Применение трансформаторов напряжения позволяет использовать для измерения на высоком напряжении стандартные измерительные приборы, расширяя их пределы измерения; обмотки реле, включаемых 9 через трансформаторы напряжения, также могут иметь стандартные исполнения. Кроме того, трансформатор напряжения изолирует (отделяет) измерительные приборы и реле от высокого напряжения, благодаря чему обеспечивается безопасность их обслуживания. Трансформаторы напряжения широко применяются в электроустановках высокого напряжения, от их работы зависит точность электрических измерений и учета электроэнергии, а также надежность действия релейной защиты и противоаварийной автоматики. Измерительный трансформатор напряжения по принципу выполнения ничем не отличается от однофазного понижающего трансформатора. Он состоит из стального сердечника, набранного из пластин листовой электротехнической стали, первичной обмотки и одной или двух вторичных обмоток. Измерительный трансформатор тока Трансформатор тока предназначен для преобразования (снижение) большой величины переменного тока до таких значений, которые будут удобны и безопасны для измерения. Трансформаторы тока позволяют безопасно измерять большие электрические нагрузки в сетях переменного тока. Это становится возможным благодаря изолированию первичной обмотки и вторичной обмотки друг от друга. Трансформатор тока представляет собой измерительное устройство, первичная обмотка (высокая сторона) которого подключается к источнику переменного электрического тока, а его вторичная обмотка подключается к приборам измерения или к приборам защиты с малым сопротивлением (Рисунок 12). Рисунок 12. Измерительные трансформаторы тока Работа обычного трансформатора тока базируется на физическом явлении электромагнитной индукции. Это значит, что при подаче напряжения на первичную обмотку, в её витках будет проходить переменный ток, образующий впоследствии появление переменного магнитного потока. Появившийся магнитный поток проходит по сердечнику и пронизывает витки всех обмоток трансформатора, таким 10 образом, индуцируя в них электродвижущие силы (ЭДС). В случае закорачивания вторичной обмотки или же при включении нагрузки в её цепь, под воздействием э.д.с. в витках обмотки начнёт протекать вторичный ток. Основной технической характеристикой каждого трансформатора тока является номинальный коэффициент трансформации. Его значение указывается на специальной табличке (шильдике) в виде отношения номинального значения первичного тока к номинальному значению вторичного тока. ПРИМЕНЕНИЕ трансформаторов тока: 1. Для измерения электрического тока; 2. В устройствах релейной защиты электроэнергетических систем; 3. Расширения пределов измерения приборов, реагирующих на силу тока; 4. Для изоляции измерительных приборов и реле от высокого первичного напряжения. Режимы работы трансформаторов Трансформаторы имеют следующие режимы работы: 1) Рабочий режим (режим нагрузки) - характеризуется следующими признаками: -напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему; - ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему . В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. 2) Номинальный режим работы характеризуется следующими признаками: - напряжение первичной обмотки равно номинальному; - ток первичной обмотки равен номинальному. Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но как правило, с бóльшими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД. Из-за этого при эксплуатации 11 трансформатора его избегают. 3) Режим холостого хода характеризуется следующими признаками - вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки трансформатора; - к первичной обмотке приложено напряжение - ток вторичной обмотки равен нулю На рисунке 13 изображена схема опыта холостого хода однофазного,. Рисунок 13. Режим холостого хода В режиме холостого хода трансформатор представляет собой катушку на магнитопроводе, к которой подключен источник напряжения. Режим холостого хода является рабочим для трансформаторов напряжения. Кроме того, этот режим служит для определения тока, мощности холостого хода и ряда других параметров . Режим короткого замыкания характеризуется следующими параметрами: - вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора; - к первичной обмотке приложена такая величина напряжения, что ток первичной обмотки равен её номинальному току; - напряжение вторичной обмотки = 0 Схема опыта короткого замыкания изображена на рисунке 14. Рисунок 14. Опыта короткого замыкания Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов. Также он используется для определения напряжения, мощности короткого замыкания и других параметров трансформатора. 12