Тема 6
ТРАНСФОРМАТОРЫ
В теме 6 рассмотрено назначение, устройство, принцип действия, параметры и характеристики однофазных трансформаторов. Особое внимание уделено экспериментальному определению параметров трансформатора и снятию его внешней характеристики. Изложены особенности трехфазных, авто- и измерительных трансформаторов.
Установочная лекция 8 (2 ч)
Дидактические единицы:
61. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора (Тр).
6.2. Режимы работы Тр.
6.3. Опыты ХХ и КЗ трансформатора.
6.4. Внешние характеристики Тр.
6.5. Особенности трехфазного Тр.
СОДЕРЖАНИЕ
6.1. Назначение, устройство и принцип действия однофазного Тр
Трансформатор (Тр) – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования напряжения и тока по уровню (без изменения частоты).
Трансформаторы находят широкое применение:
• для передачи и распределения электрической энергии,
• для обеспечения согласования напряжений на входе и выходе преобразователя,
• для различных технологических целей: сварки, питания электротермических установок, для питания различных цепей радио-, электронно-вычислительной и телевизионной аппаратуры, устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов и т.д.
Трансформаторы изготавливают двух типов: понижающие напряжение, например, до 400 В и ниже и повышающие его до 3...500 кВ и выше. Они могут быть одно- и многофазными (чаще всего трёхфазными), двухобмоточными и более.
Диаапазон мощностей силовых масляных Тр общего назначения от 10 кВ·А до 630 МВ·А на напряжения (первичные) 10(6), 35, 110, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, сухого исполнения – от единиц В·А до 2500 кВ·А на первичные напряжения 380, 500, 660, 10000 В и вторичные – 230 и 400 В. Силовые Тр однофазные, мощностью 4 кВ·А и ниже и трёхфазные – 5 кВ·А и ниже относят к Тр малой мощности. Наряду с силовыми в практической электротехнике широко используются измерительные Тр тока и напряжения
6 .1.1. Устройство двухобмоточного Тр. Простейший Тр (рис. 6.1а) состоит из трех частей: магнитопровода и двух обмоток: первичной и вторичной.
Использование ферромагнитного магнитопровода (стального сердечника) позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому замыкается магнитный поток Ф. В Тр обмотка с более высоким напряжением называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а с более низким – обмоткой низшего напряжения (НН). Начало и конец обмотки ВН обозначают буквами А и Х, а обмотки НН – буквами а и х.
6.1.2. Принцип действия ТР основан на явлении взаимной индукции. При этом Тр обеспечивает передачу электрической энергии от первичной электрической цепи (обмотки) во вторичную, изменяя значения таких электрических параметров, как ЭДС, напряжение и ток, не меняя их частоты. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока – к электрической сети с напряжением u1, к вторичной обмотке присоединяется приёмник электрической энергии (нагрузка) с сопротивлением Zн.
Электромагнитные процессы в Тр описываются нелинейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями. Однако для практических расчётов нелинейными эффектами часто пренебрегают и для анализа процессов в Тр используют комплексный метод.
При подключении Тр к сети с синусоидальным напряжением u1 в первичной обмотке протекает ток i1, при этом магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки F1 = w1i1 возбуждает магнитный поток Ф, который замыкается, в основном, по магнитопроводу. Магнитный поток Ф индуктирует в обеих обмотках Тр ЭДС (рис. 6.1б): е1 = е1L (ЭДС самоиндукции) и е2 = = е2м (ЭДС взаимной индукции), пропорциональные числу витков w1 и w2 обмоток и скорости изменения магнитного потока, т.е.
Магнитный поток Ф2, возбужденный МДС вторичной обмотки F2 = w2i2, направлен, согласно принципу Ленца, навстречу потоку Ф1, созданному в магнитопроводе током первичной обмотки i1, т.е. поток Ф2 стремится размагнитить магнитопровод, нарушая тем самым электрическое состояния (равновесие) в первичной обмотке,
где R1 – активное сопротивление первичной обмотки.
Появление тока i2 и магнитного потока Ф2 во вторичной обмотке вызывает увеличение тока i1 ровно настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие вторичного тока и сохранить суммарный магнитный поток Ф в магнитопроводе неизменным.
О тношение мгновенных или действующих ЭДС обмоток называют коэффициентом трансформации Тр
В Тр с ненасыщенным ферромагнитным сердечником уровни напряжения и тока во вторичной обмотке будут другими по сравнению с электрическими величинами в первичной обмотке. Например, при w2 < w1, напряжение во вторичной обмотке U2 меньше в n раз напряжения U1, а ток в ней соответственно возрастает приблизительно в n раз:
или U1I1 ≈ U2I2.
В Тр с ферромагнитным сердечником передача энергии от первичной обмотки во вторичную цепь (в нагрузку) происходит без больших потерь, с высоким КПД, равным
η = P2/P1 ≈ 0.970.995.