2. Трансформаторы

При изучении теоретического курса «Трансформаторы» главными являются следующие вопросы:

- наведение вторичной ЭДС при холостом ходе и при нагрузке;

- основные уравнения, векторные диаграммы и схемы замещения;

- исследование рабочего процесса трансформатора с использованием параметров холостого хода и короткого замыкания;

- потери, КПД, нагревание и охлаждение трансформатора;

- группы соединений и параллельная работа трехфазных трансформаторов;

- регулирование напряжения трансформаторов, несимметричная нагрузка;

- автотрансформатор, специальные трансформаторы.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки, и предназначенное для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока сети на напряжение U₁. К другой обмотке, называемой вторичной, подключен потребитель Zн.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток с напряжением U, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС.

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции, во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции:

;

где w₁ и w₂ - число витков в первичной и вторичной обмотке трансформатора. При включении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС e₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах устанавливается напряжение U₂. В повышающих трансформаторах U₂ >U₁, в понижающих U₂ <U₁.

Мгновенные значения ЭДС е₁ и е₂ отстают по фазе от потока Ф на угол .

Действующие значения ЭДС соответственно равны:

Отношение напряжений при x.х. трансформатора называется коэффициентом трансформации.

В реальном трансформаторе кроме основного магнитного потока Ф, который замыкается по стали и сцеплен со всеми обмотками трансформатора, имеются также потоки рассеяния Ф_σ1 и Ф_σ2, сцепленные только с одной из обмоток.

Потоки рассеяния не участвуют в передаче энергии, но создают в каждой из обмоток соответствующие ЭДС рассеяния.

С учетом этих ЭДС и падений напряжения в активных сопротивлениях обмоток можно составить комплексные уравнения для первичной и вторичной обмоток трансформатора

Так как потоки рассеяния полностью или частично замыкаются по воздуху, то они пропорциональны МДС соответствующих обмоток или соответствующим токам:

величины х₁ и х₂ называют индуктивными сопротивлениями обмоток трансформатора, обусловленными потоками рассеяния.

Т.к. векторы ЭДС отстают от соответствующих потоков и токов на 90⁰, то

При этом комплексные управления трансформатора примут вид

Векторную диаграмму трансформатора строим согласно системе уравнений. Характер диаграммы определяется током нагрузки , который принимается заданным по величине и фазе.

МДС оказывает своей реактивной составляющей на магнитопровод размагничивающее действие.

Реальный трансформатор можно заменить схемой замещения.

а, б – точки соединения первичной и вторичной обмоток.

Эквивалентное сопротивление этой схемы ,

где

Сопротивление (и его составляющие ), а также называют соответственно сопротивлениями вторичной обмотки и нагрузки, приведенными к первичной обмотке. Аналогично называют значения ЭДС и тока:

Коэффициентом полезного действия трансформатора называют отношение отдаваемой мощности Р₂ к мощности Р₁

или

, где

∆Р - суммарные потери в трансформаторе.

Согласно ГОСТа потери мощности в трансформаторе определяют по данным опытов х.х. и к.з., т.к. в этих опытах трансформатор не отдает мощность нагрузке, следовательно, вся мощность, поступающая в первичную обмотку, расходуется на компенсацию имеющихся в нем потерь.

Кроме КПД по мощности пользуются значением КПД по энергии, которая представляет собой отношения количества энергии отданной трансформатором потребителю W₂ (кВт ч) в течение года, к энергии, полученной им от питающей электросети W₁ за это же время

КПД трансформатора по энергии характеризует эффективность эксплуатации трансформатора.

Группы соединений обмоток трансформаторов – делят на группы в зависимости от сдвига по фазе между линейными напряжениями, измеренными на одноименных зажимах.

Группы соединений обозначают целыми числами от 0 до 11. Номер группы определяют величиной угла, на который вектор линейного напряжения обмотки НН отстает от вектора линейного напряжения обмотки ВН. Для определения номера группы этот угол следует разделить на 30⁰. Таким образом, для однофазных трансформаторов существует 2 группы 0 и 6.

По существующим ГОСТам промышленность выпускает трехфазные силовые трансформаторы двух групп: 0 и 11, что облегчает практическое включение трансформаторов на параллельную работу.

Условия включения на параллельную работу. Для включения трансформаторов на параллельную работу необходимо, чтобы при х.х. в их обмотках не возникали уравнительные токи и чтобы нагрузка распределялась между обоими трансформаторами в соответствии с их номинальной мощностью.

1. трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации;

2. трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений;

3. они должны иметь одинаковые напряжения короткого замыкания.

Автотрансформатором называют такой трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения электрически (гальванически) связана с обмоткой высшего напряжения, т.е. у него обмотка низшего напряжения является частью обмотки ВН, причем она выполняется из проводников отличающихся по сечению от проводников другой части.

Принципиальная схема автотрансформатора:

Регулирование напряжения в трансформаторах.

1 Стабилизация вторичного напряжения при незначительных (на 5-10%) изменения первичного напряжения, что происходит из-за падения напряжения в линии.

2 Регулирование вторичного напряжения (из-за технологического процесса) в широких пределах при неизменном напряжении.

Регулирование напряжения, т.е. переключение ответвлений w₁ и w₂ может осуществляться при отключении трансформатора от первичной и вторичной сети (переключение без возбуждения ПБВ) или под нагрузкой (регулирование под нагрузкой РПН).

Переходные процессы в трансформаторах. При изменении режима работы трансформатора (преднамеренно или случайно) происходит переход от одного установившегося режима к другому. Длительность небольшая (доли секунды), но сопровождается опасными для трансформаторов явлениями. При переходных процессах результирующие токи и напряжения на отдельных частях обмоток могут превышать те же величины в установившихся режимах, что учитывается при проектировании и эксплуатация трансформаторов и электрических машин.

Вопросы для самопроверки.

1. Объясните принцип действия трансформатора. Что представляет собой магнитная цепь трансформатора? Какие ЭДС наводятся в реальном трансформаторе?

2. Напишите выражение для ЭДС, индуцируемых в обмотках трансформатора?

3. Почему сердечник трансформатора набирается из листовой стали?

4. Что такое коэффициент трансформации и как он определяется?

5. Как влияет насыщение стали сердечника на форму кривой тока холостого хода?

6. Как влияет увеличение зазора в стыке между стержнем и ярмом на величину тока холостого хода при постоянных напряжении и частоте?

7. Почему форма кривой тока холостого хода отличается от синусоидальной, если к первичной обмотке подведено синусоидальное напряжение?

8. Как влияет схема соединения фаз на величину высших гармоник в кривой тока холостого хода?

9. Как определить номер группы соединений обмоток?

10. Как определяются потери в трансформаторе?

11. Почему при переходе от холостого хода к нагрузке основной магнитный поток остается практически неизменным?

12. Почему при увеличении тока во вторичной обмотке, величина тока в первичной тоже увеличивается?

13. Чем отличается приведенный трансформатор от реального? В чем его преимущества при анализе электромагнитных процессов?

14. Объясните физический смысл всех параметров схемы замещения трансформатора при нагрузке. Каковы методы их определения?

15. Что такое напряжение короткого замыкания?

16. При какой нагрузке трансформатор имеет максимальный КПД?

17. Какие явления в трансформаторе вызывают токи внезапного короткого замыкания?

18. В чем отличие автотрансформатора от трансформатора?

19. Какими способами возможно регулировать напряжение в трансформаторах?

20. Какие трансформаторы специального назначения вы знаете?