Лекции / Лекция 5 Трансформаторы1

Лекция 5. Трансформаторы

Трансформатор, предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Есть трансформаторы повышающие и понижающие.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные и трехфазные

Различают трансформаторы стержневого и броневого типов. Трансформатор броневого типа хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений.

По виду охлаждения – с воздушным или масляным охлаждением. Если трансформатор с масляным охлаждением, то устанавливают бачок-расширитель, куда попадает нагретое масло

Трансформаторы, используемые в технике связи, подразделяют на низко- и высокочастотные.

В соответствии с назначением различают:

– силовые трансформаторы, которые используются в магистральных распределительных сетях и системах электроснабжения предприятий для распределения электроэнергии. Номинальные мощности силовых трансформаторов от 25 до 300-500 кВА, напряжение от 220 В до 750 кВ

– специальные трансформаторы используют в специальных электротехнических устройствах: сварочные трансформаторы для различных видов сварки импульсные трансформаторы и т.д.

– измерительные трансформаторы используются в качестве элементов для измерения больших по уровню напряжений и токов.

Устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. Часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, называют стержнями. Части магнитопровода, замыкающие стержни, называют ярмом. Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготовляют из магнитомягкого материала – трансформаторной стали, которая имеет узкую петлю гистерезиса. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление.

Обмотка трансформатора, присоединенная к источнику питания (сеть электроснабжения, генератор), называется первичной. Соответственно первичными называются все величины, относящиеся к этой обмотке – число витков, напряжение, ток и т.д. все они обозначаются с индексом 1: w₁, u₁, i₁. Обмотка, к которой подключается приемник (потребитель электроэнергии), и относящиеся к ней величины называются вторичными

Принцип действия однофазного трансформатора

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора сводится к следующему: первичная и вторичная обмотки находятся на общем сердечнике и подвергаются действию одного и того же электромагнитного поля. В зависимости от значения сопротивления нагрузки различают три режима работы трансформатора:

1. Режим холостого хода – Z_н = ∞;

2. Режим нагрузки – 0 < Z_н <∞;

3. Режим короткого замыкания – Z_н = 0.

Опыт холостого хода

В режиме холостого хода (х.х.) вторичная обмотка трансформатора разомкнута, ток I₂ = 0. Магнитный поток в магнитопроводе создается током первичной обмотки, называемым током холостого хода.

Отношение действующих значений э.д.с. вторичной и первичной обмоток, а также чисел витков обмоток трансформатора называют коэффициентом трансформации k.

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее э.д.с.: U₂ = E₂, а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается э.д.с. первичной обмотки U ≈ E₁.

4.2. Опыт короткого замыкания

При опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, а первичная обмотка включается через регулирующее устройство на такое пониженное напряжение U_1к, при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания. В опыте определяются:

– потери короткого замыкания ΔР_кН,

– напряжение короткого замыкания U_кн,

При расчете предполагают, что при малом напряжении магнитный поток и намагничивающий ток малы, то есть I₁₀≈0. Поэтому можно считать, что магнитодвижущая сила первичной и вторичной обмоток трансформатора равны

или

и, следовательно, ваттметр измеряет потери мощности только в обмотках.

Очень опасны замыкания одного или нескольких витков, так как ток в этих витках I_вк во столько раз больше тока короткого замыкания, во сколько раз больше число витков обмотки w₁ числа короткозамкнутых витков w:

I_вк = I_1к∙(w₁/w).

Особенности трехфазных трансформаторов и автотрансформаторов

Трехфазные трансформаторы

Конструктивно трехфазные трансформаторы выполняют стержневыми. На каждом из трех стержней размещают первичную и вторичную обмотки одной фазы. Результирующие МДС каждой фазы смещены друг относительно друга на 120°, сумма векторов магнитных потоков равна нулю ( ). Фазы первичной и вторичной обмоток могут соединяться в звезду (Y) и треугольник (Δ). Поэтому векторы линейных напряжений и могут не совпадать по фазе. Сдвиг по фазе указывается группой соединения обмоток.

В системах большой мощности трехфазные трансформаторов выполняются с использованием трех однофазных трансформаторов. Это вызвано тем, что трехфазный трансформатор большой мощности имеет такие большие габариты и массу, что его невозможно транспортировать доже специальным транспортными средствами (железнодорожным, морским, речным и автотранспортом).

Автотрансформатор - трансформатор, часть первичной обмотки которого принадлежит вторичной, поэтому у него можно плавно изменять коэффициент трансформации т.е. напряжение на выходе варьируется

Автотрансформатор в конструктивном отношении подобен обычному трансформатору: имеет замкнутый стальной магнитопровод, на котором размещены две обмотки, выполненные из медного провода различного сечения. В отличие от трансформатора обмотки автотрансформатора электрически соединены.

У понижающего трансформатора обмотка вторичного напряжения является частью обмотки первичного напряжения. У повышающего трансформатора, наоборот, обмотка первичного напряжения является частью обмотки вторичного напряжения.

Таким образом, в автотрансформаторе кроме магнитной связи между первичной и вторичной обмотками имеется и электрическая связь.

Электромагнитные процессы в автотрансформаторе ничем не отличаются от процессов в обычном трансформаторе.

Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором является более простое устройство, меньший расход меди, более высокий к.п.д., меньшие потери в обмотках и стали магнитопровода . это объясняется тем, что в автотрансформаторе энергия из первичной сети во вторичную частично передается по электрической связи.

Однако автотрансформатор по сравнению с трансформатором имеет существенные недостатки: он имеет малое сопротивление короткого замыкания, что обуславливает большой ток короткого замыкания, а электрическая связь между обмотками при высоком первичном напряжении опасна при прикосновении человека к проводам в цепи нагрузки.

Преимущество автотрансформатора тем сильнее, чем меньше коэффициент трансформации. Поэтому автотрансформаторы применяются при небольших коэффициентах трансформации (n=1÷2).

Автотрансформаторы низкого напряжения выполняются на небольшую мощность (до 7,5 кВА). Они имеют обмотку с одним сечением провода и могут использоваться как для повышения, так и для понижения напряжения.