lekcii

рматори для перетворення не лише напруги змінного струму, але і його частоти, чис-

ла фаз і так далі називають трансформаторними облаштуваннями спеціального призначення.

Силові трансформатори широко застосовуються в енергосистемах при передачі електроенергії від електростанції до споживачів, а також в різних електроустановках для отримання напруги необхідної величини.

У справжній главі розглядаються силові трансформатори (скорочено ми їх називатимемо трансформаторами) невеликої потужності (не більше декількох кіловольт - ампер), що отримали найбільше застосування у блоках електроживлення облаштувань автоматики, обчислювальної техніки, у вимірювальних приладах, зв'язку.

Трансформатори розділяються, залежно від:

-числа фаз перетворюваної напруги, на однофазні і багатофазні (зазвичай три-

фазні);

-числа обмоток, що доводяться на одну фазу трансформованої напруги, на дво-

обмоточні і багатообмоточні;

-способу охолодження, на сухі (з повітряним охолодженням) і масляні (занурені в металевий бак, заповнений трансформаторною олією).

Облаштування трансформаторів

Основні частини трансформаторів - обмотки і магнітопровід. Магнітопровід складається із стержнів і ярем. На стержнях розташовують обмотки, а ярма служать для з'єднання магнітопровода в замкнуту систему. Для виготовлення магнітопроводів трансформаторів застосовують тонколистову електротехнічну сталь. При частоті змінного струму 50 Гц застосовують листи (смуги) завтовшки 0,5 або 0,35 мм. При частотах 400 Гц і більше застосовують листи (смуги) завтовшки 0,2 - 0,08 мм. При частоті 1000 Гц і вище магнітопроводи виготовляють із сплавів залізоникелів типу пермалой, що характеризуються поліпшеними в порівнянні з електротехнічними сталями властивостями: більш високою магнітною проникністю і меншою коэрцитивной силою.

Залежно від способу виготовлення магнітопроводи трансформаторів бувають пластинчаті і стрічкові. Магнітопроводи однофазних трансформаторів бувають трьох основних видів: стержневі, броньові і тороїдальні.

Пластинчаті магнітопроводи (рис.1.2, а-в) збирають з окремих пластинів, отриманих шляхом штампування або різання листової електротехнічної сталі. Для зменшення вихрових струмів пластини ізолюють один від одного шаром ізоляційного лаку або оксидною плівкою. Стержневі пластинчаті магнітопроводи (рис.1.2, а) збирають з пластинів (смуг) прямокутної форми. Пластини магнітопровода скріплюють в пакет або за допомогою шпильок, електрично ізольованих від пластинів спеціальними втулками і шайбами, або за допомогою бандажа із скляної нетканої стрічки або ниток. Броньові пластинчаті магнітопроводи (рис.1.2, б) збирають з пластинів Ш-

51

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

образної форми. Вони мають лише один стержень, на якому розташовують усі обмотки трансформатора. Тороїдальні пластинчаті магнітопроводи (рис.1.2, в) збирають з окремих штампованих кілець.

Стрічкові розрізні магнітопроводи стержневого (рис.1.2, г) і броньового

(рис.1.2, д) типів складаються з окремих частин підковоподібної форми. Після установки заздалегідь виготовлених обмоток ці підковоподібні частини сполучають встык і скріплюють стягуваннями. Тороїдальні стрічкові магнітопроводи (рис.1.2, е) изготавляют шляхом навивки стрічки. Переваги таких магнітопроводів - відсутність стиків, тобто місць з підвищеним магнітним опором.

Магнітопроводи броньового типу забезпечують трансформаторам наступні достоїнства: краще заповнення вікна магнітопровода обмотувальним дротом; частковий захист обмотки ярмами від механічних ушкоджень. Проте при броньовому магнітопроводі погіршуються умови охолодження обмоток.

Окрім обмоток і магнітопровода трансформатори низької напруги мають кожух, клемну колодку і кріпильні елементи. Металевий кожух сполучають з магнітопроводом і заземляють - міра, необхідна за умовами техніки безпеки. Високовольтні трансформатори роблять масляними - магнітопровід з обмотками поміщають в металевий бак, заповнений трансформаторною олією, яка збільшує електричну міцність ізоляції обмоток і сприяє кращому охолодженню трансформатора.

Принцип дії трансформатора

Розглянемо однофазний двообмоточний трансформатор. Його принцип дії заснований на явищі електромагнітної індукції. Однофазний двообмоточний трансформатор складається із замкнутого магнітопровода і двох обмоток. Одна з обмоток - первинна - підключається до джерела змінного струму з напругою U1 і частотою f (мал. 1.1). Змінний струм, що проходить по витках цієї обмотки, створює МДС, яка наводить в магнітопроводі трансформатора змінний магнітний потік Ф. Замикаючись в магнітопроводі, цей потік зчіплюється з витками обмоток трансформатора і індукує відповідно в первинній w1 і вторинною w2 обмотках ЭДС:

е1= − w1dФ/dt;

е2= − w2d Ф/dt.

Якщо магнітний потік трансформатора - синусоїдальна функція часу Ф = Фmax sinwt, що змінюється з кутовою частотою w = 2πf, то після підстановки його в і диференціювання і перетворення, і перетворення, отримаємо діючі значення ЭДС первинною і вторинною обмоток:

Е1 = 4,44 f w1Фmax;

E2 = 4,44 f w2 Фmax.

У режимі холостого ходу трансформатора, коли струм у вторинній обмотці відсутній (обмотка розімкнена), напруга на виводах вторинної обмотки рівна ЭДС вто-

52

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

ринної обмотки E2 = U20, а ЭДС первинної обмотки так трохи відрізняється від первинної напруги, що цією різницею можна нехтувати: E1 ≈ U1.

Відношення ЭДС обмотки вищої напруги (ВН) до ЭДС обмотки нижчої напруги (НН) називають коефіцієнтом трансформації до. Для режиму холостого ходу трансформатора відношення вказаних ЖДС практично дорівнює відношенню напруги :

до = E1/E2 = w1/w2≈U1/U20.

Якщо w2<w 1и U2<U1, то трансформатор називається таким, що знижує. Якщо w2>w1 і U2>U1, то трансформатор називається таким, що підвищує. Один і той же трансформатор залежно від того, k якою з обмоток підводиться напруга, може бути таким, що знижує або підвищує.

Якщо на виводи вторинної обмотки трансформатора підключити навантаження опором Zн, то в обмотці з'явиться струм навантаження I2. При цьому потужність на виході тран-

сформатора визначається твором вторинної напруги U2 на струм навантаження I2. З деяким наближенням можна прийняти потужності на вході і виході трансформатора однаковими, тобто U1I1≈U2I2. З цього виходить, що відношення струмів в обмотках трансформатора обернено пропорційно до відношення напруги :

I1/I2 ≈ U2/U1 ≈ 1/k

Таким чином, струм в обмотці нижчої напруги більше струму в обмотці вищої напруги в k разів. Якщо не виводи вторинної обмотки трансформатора підключити

навантаження опором rн, то, оскільки потужності на вході P1= I 2 rَн і на виході P2 = I

1

2 rн трансформатора приблизно рівні, з рівняння

2

I	2		rَн ≈ I	2 rَн
1			2

Визначимо опір навантаження, виміряний на виводах первинної обмотки :

rَн ≈ rَн I 2	/ I ≈ rн k2,
2

тобто воно зміниться в k2 разів в порівнянні з опором rн.

Ця властивість трансформаторів використовується в міжкаскадних трансформаторах для узгодження вхідного опору якого - або каскаду (блоку) з вихідним опором попереднього каскаду (блоку).

Трансформатор є апаратом змінного струму. Якщо первинну обмотку трансформатора включити в мережу постійного струму, то магнітний потік в магнітопроводі цього трансформатора виявиться постійним як за величиною, так і по напряму, тобто dФ/dt = 0. Такий потік не індукуватиме ЭДС в обмотках трансформатора, що виключить передачу електроенергії з первинного ланцюга у вторинний. Крім того, відсутність ЭДС в первинній обмотці трансформатора приведе до виникнення в ній струму неприпустимо великої величини, слідством чого буде вихід з ладу цього трансформатора. При зміні струму у вторинної обмотки, автоматично змінюється струм у вторинній обмотці, щоб результуючий магнітний потік залишався незмінним

Контрольні питання

11.З яких основних частин складається трансформатор

53

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

12.Яку класифікацію трансформаторів ви знаєте?

13.На підставі якого закону заснований принцип дії трансформатора?

14.Поясніть принцип дії трансформатора

15.Чому на первинну обмотку не можна подавати постійну напругу?

16.Що станеться із струмом в первинної обмотки, якщо струм у вторинної обмотки збільшиться?

17.Що називається коефіцієнтом трансформації?

18.Що називається трансформатором?

19.Які бувають види магнітопроводів?

20.Яку роль виконує олія в трансформаторах?

54

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Лекція 10 Тема: 2.1 Пристрій і робочий процес трансформатора

План

1.Основні співвідношення в трансформаторі

2.Приведення параметрів вторинної обмотки до числа витків первинної обмотки.

3.Схема заміщення

4.Векторна діаграма

Основні співвідношення в трансформаторі

При роботі трансформатора з підключеної до затисків вторинної обмотки навантаженням Zн в його первинній обмотці проходить струм İ1, а у вторинній обмотці - струм İ2. Проходячи по обмоткам, ці струми створюють відповідно МДС первинною F& 1 = İ1w1 і вторинною F&2 = I&2w2 обмоток. Дії спільно, МДС наводять в трансформаторі основний магнітний потік Ф, що замикається в магнітопроводі. І магнітні потоки розсіяння Φσ1 і, кожен з яких ч астично проходить через магнітопровід, а частково через повітряні проміжки і кожух трансформатора. Якщо основний потік Ф зчеплений з обома обмотками трансформатора, то кожен з потоків розсіяння Φσ1 і Φσ 2 зчеплений відповідно лише з однією з обмоток w1, w2.

Основний магнітний потік Ф індукує в обмотці w1 ЭДС Е1 в обмотці w2 ЭДС Е2 Кожен з магнітних потоків розсіяння індукує ЭДС розсіяння тільки в одній з обмоток : потік Φσ1 у обмотці w1 ЭДС розсіяння потік в обмотці Э ДС розсіяння Eσ 2 . Магнітні потоки розсіяння пропорційні струмам відповідних обмоток, а ЭДС розсіяння еквіваленти падінням напруги на індуктивних опорах розсіяння первинній і вторинній обмоток відповідно:

x1 =Eσ1/I1;

x2 = Eσ2 / I2.

Враховуючи, що кожна з обмоток трансформатора має активний опір r1 чи r2 , запишемо рівняння напруги за другим законом Кирхгофа в комплексом виді:

для первинної ціп	&	&	&	+ jx1),
	U1	+ E1	= I1(r1

чи	&		&	&	&
	U1	=(−E1)+ jI1x1			+I1r1;
для вторинного ланцюга		&	&	&	(r2 + jx2 ),
		E2	= U2	+ I2
чи	&	&	&		&
	U2	= E2	− jI2 x2 − I2r2.

Отримані вирази є рівняннями напруги первинній і вторинній ланцюгів трансформатора.

Розглянемо роботу трансформатора без навантаження, тобто в режимі неодруже-

55

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

ного, коли струм у вторинному ланцюзі I2 = 0 струм в первинному ланцюзі є струмом

холостого ходу I0. У цьому режимі основний магнітний потік трансформатора Ф створюється лише МДС первинної обмотки, а амплітудне значення цього потоку

Φmax = 2I0w1RΜ,

де RΜ - магнітний опір магнітопровода потоку Φmax .

Якщо ж трансформатор працює з підключеним навантаженням ZΗ і основний

магнітний потік створюється спільною дією МДС первинної		&	&	і вторинною
		F1	= I1w1
&	обмоток, те амплітудне значення основного магнітного потоку запишемо у
F2 = I2w2
виді:

Φmax = 2(I&1w1 + I&2w2)/RΜ.

Перетворений отримаємо ще одну для основного магнітного потоку:

Φ =E/(4,44fw).
max 1	1

Нехтуючи значення падіння напруги в первинній обмотці I1(r1 + jx1), яке зазвичай не перевищує декількох відсотків від первинної напруги, тобто прийнявши E1 ≈ U1, отримаємо

Φmax ≈U1 /(4.44fw1).

З витікає, що основний магнітний потік не залежить від навантаження трансформатора, це дозволяє прирівняти вирази і отримати рівняння МДС трансформатора

I&w =I&w+I&w.
0	1	1	1	2	2
З рівняння слідує, що сума МДС первинної I& w						і вторинною I&	w обмоток в ре-
				1	1	2	2
жимі роботи трансформатора під навантаженням рівна МДС холостого ходу I&								w , не-
							0	1

обхідною для наведення в магнітопроводі трансформатора основного магнітного потоку Φmax .

Така взаємодія МДС I&1w1 і I&2w2 пояснюється їх зустрічним напрямом, тобто якщо МДС I&1w1 чинить на магнітопровід дію, що намагнічує, то МДС I&2w2 прагне розмагнітити цей магнітопровід. Незважаючи на таку взаємодію вказаних МДС, магнітний потік в магнітопроводі Φmax в процесі роботи трансформатора залишається незмінним, оскільки в усьому діапазоні змін струму навантаження I2 (в межах номінального значення) МДС первинної обмотки виявляється більше, чим МДС вторинної обмотки I&2w2 , на величину МДС холостого ходу I&0w1.

Для пояснення цього явища розглянемо рівняння струмів трансформатора, яке отримаємо з (1.19), розділивши його обидві частини на число витків w1 :

	I&0	= I&1	+	I&2	w 2
					w1
				56

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

		чи	I&1 =I&0 +(−I&2′).
		де I&2′ = I&2w2 / w1 - струм вторинної обмотки трансформатора,						приведений до числа
витків первинної обмотки w1 тобто струм,				який в обмотці з числом витків w1 створює
таку ж магніторушійну силу, як і струм				I&	у вторинній обмотці w . Таким чином,
				2				2
I&′w = I&			w .
2	1	2	2
		З рівняння струмів трансформатора виходить, що струм первинної обмотки I&1 є
сумою двох складових, одна їх яких I& створює МДС I&						w , необхідну для наведення в
			0		0	1
магнітопроводі основного магнітного потоку Φmax , а інша -							I&2′	створює МДС I&2′w1,
компенсуючу розмагнічуючу дію МДС вторинної обмотки							I& w . Цим пояснює той
							2	2

факт, що будь-яка зміна струму I&2 у вторинному ланцюзі трансформатора викликає відповідну зміну струму I&1 у первинній обмотці.

Приведення величин вторинної обмотки до числа витків первинної обмот-

ки.

При великих коефіцієнтах трансформації чисельні значення струмів, напруги, ЭДС і опорів первинної і вторинної обмоток сильно відрізняються один від одного. Це утрудняє кількісний аналіз роботи трансформатора. Практично не можливо побудувати в одному масштабі величини первинної і вторинної обмотки. Ці утруднення можна усунути, якщо реальний трансформатор, що має різні числа витків первинної і вторинної обмоток. Замінити приведеним, у якого число витків первинної і вторинної обмоток однакові. Вказана заміна правомірна, якщо усі енергетичні і електромагнітні співвідношення в реальному і приведеному трансформаторах однакові і. отже не відіб'ються на роботу первинної обмотки

Виходячи з цього визначають струми, "LC/ напруги і опору вторинного ланцюга приведеного трансформатора

Приведення ЭДС і напруги виходить з рівності ЭДС вторинної обмотки приведеного трансформатора і ЭДС первинної обмотки реального трансформатора

Е/	=Е =Е	W	=Ек.
		1
2	1 2W		2
		2

U2/ =U1 =U2UU1 =U2к.

2

Приведення струмів виходить з рівності МДС вторинної обмотки приведеного трансформатора і МДС вторинної обмотки реального трансформатора

І2/ =І2WW2 =І2 1к. 1

57

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Приведення опорів виходить з рівності втрат вторинної обмотки приведеного трансформатора і втрат вторинної обмотки реального трансформатора

r/	=r	W			=r ×к2.
		1
2	2W				2
		2
х/	=х		W		=х ×к2.
			1
2	2W				2
		2

Можна вважати, що приведення величин вторинної обмотки до числа витків первинної обмотки зводиться до заміни дійсної обмотки з числом витків обмоткою з числом витків, причому при такій заміні н.с. повинна залишитися, як відзначалося, незмінною і рівною, а також повинні залишитися незмінними відносні значення падінь напруги і електричні втрати в обмотці:

Схема заміщення

У трансформаторах між первинною і вторинною обмотками існує магнітний зв'я- зок. При розрахунках режимів роботи і характеристик трансформаторів зручно цей зв'язок між обмотками замінити електричною. В цьому випадку дослідження роботи полегшується і зводиться до розрахунків відносно простого електричного ланцюга. Електрична схема у якої магнітний зв'язок між обмотками замінений на електричний,

носить назву схеми заміщення

Структуру цієї схеми вибирають таким чином. Щоб рівняння описували робочий процес в трансформаторі. Перша гілка містить активні і реактивні опори первинної обмотки. Друга гілка містить активні і реактивні опори вторинної обмотки. Середня гілка містить активні і реактивні опори магнітопровода.

При розрахунках режимів роботи трансформаторів з використанням схеми заміщення її параметри мають бути відомі. Задаючись опором навантаження. Знаходимо струми, напругу, втрати і інші величини.

Параметри схеми заміщення можуть бути знайдені розрахунковим або досвідченим шляхом. У останнім випадку звертаються до даних холостого ходу і короткого замикання.

Векторні діаграми наочно показують співвідношення між струмами, э.д.с. і напругою обмоток. Вони будуються відповідно до системи рівняннями ( )

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Мал. 2-14. Векторна діаграма трансформатора працюючого з відстаючим стру-

мом. з Соsφ=1, з випереджаючим струмом.

Діаграми на мал. а і б показують, що напруга при навантаженні менша, ніж напруга при холостому ході, і тим менше, чим більше опору обмоток r1, x1, r2, і кут φ2.

Діаграма на мал. в показує, що при роботі трансформатора з випереджаючим струмом напруга на його затисках може бути вища, ніж при холостому ході, оскільки в цьому випадку э.д.с. зростає і, крім того, результуюча э.д.с. + більша, ніж ( ― э.д.с. розсіяння вторинної обмотки, приведена до числа витків первинної обмотки).

Контрольні питання

1.Якого струму вистачає для наведення основного магнітного потоку?

2.Назвіть основні рівняння роботи трансформатора?

3.Яка схема називається схемою заміщення?

4.Навіщо роблять приведення параметрів?

5.На підставі якого закону засновано приведення струмів?

6.На підставі якого закону засновано приведення напруги і ЭДС?

7.На основі. якого закону засновано приведення опорів?

8.Що показує векторна діаграма?

9.Який трансформатор називається приведеним?

10.Які співвідношення у трансворматоре?

Лекція 11 Тема: 2.2 Схем з'єднання, групи, паралельна робота трансформаторів

План

1.Схеми з'єднання обмоток трансформатора

2.Групи з'єднань обмоток трансформатора

3.Паралельна робота трансформаторів

Згідно ГОСТ затиски обмоток позначаються так, початок і кінець обмотки вищої напруги позначаються відповідно прописними буквами А, В, З і Х, Y, Z. Для обмотки нижчої напруги беруться рядкові букви: а, в, з — почало і х, y, z — кінець обмотки.

Знаючи позначення затисків обмоток, ми можемо правильно з'єднати обмотки

59

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

трифазного трансформатора і трифазної групи в зірку або трикутник. Їх необхідно також знати при включенні трансформаторів на паралельну, роботу.

З'єднання обмотки «зірка» називається таке з'єднання, при якому до початку фаз приєднані лінійні дроти. А кінці фаз сполучені в одній точці. Яка називається нульовою або нейтральною. Нагадаємо, що в цьому випадку лінійна напруга в раз більше за фазний, а лінійний струм дорівнює фазному.

З'єднання обмотки «трикутник» називається таке з'єднання, при якому до початку однієї фази приєднують кінець іншої фази.Тут лінійна напруга рівно фазному, а лінійний струм в раз більше за фазний.

З'єднання обмоток в зірку і зірку означають Y/Y і називають «зірка — зірка» або «ігрек — ігрек». З'єднання обмоток в зірку і трикутник означають Y/ і називають «зірка — трикутник» або «ігрек — дельта». Якщо від обмотки, сполученої в зірку, виводиться нульова точка, то таке з'єднання означають Y0 і називають «зірка з нулем» або «ігрек нульове».

Слід мати на увазі, що відношення лінійної напруги Uл1 і Uл2 трансформатора залежить не лише від чисел витків обмоток w1 і w2 (на фазу), але і від способів їх з'єднання :

U

W

U

U

W

=

3×W

=

при Y/Y

л1

= 1

при Y/∆

л1

1

при ∆/Y

л1

1

U

W

U

W

U

3×W

л2

2

л2

2

л2

2

Групи з'єднань

Залежно від зрушення по фазі між лінійними первинною і вторинною э.д.с. на однойменних затисках трансформатори розділяються на групи з'єднань, причому кожну групу складають трансформатори з однаковим зрушенням по фазі між вказаними э.д.с.

Для позначення групи з'єднань вибирається ряд цілих чисел від 0 до 11; тут умовно прийнято, що одиниця відповідає 30 по аналогії з кутами між хвилинною і годинною стрілками годинника в 1, 2,..., 12 ч. При визначенні групи з'єднань з вектором э.д.с. обмотки вищої напруги треба поєднати хвилинну стрілку, а з вектором э.д.с. обмотки нижчої напруги — годинникову стрілку. Відлік кута робиться від хвилинної стрілки до годинної по напряму їх обертання.

Звернемося до однофазного трансформатора, обмотки якого представлені на рис.

60

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com