Принцип действия трансформатора
Принцип действия трансформатора рассмотрим на примере однофазного силового трансформатора, изображенного на рисунке 1, а).
рис.1
Конструктивно трансформатор состоит из сердечника (магнитопровода) и обмоток расположенных на сердечнике.
Магнитопровод выполняет две функции:
- составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора;
- предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей.
Конструкция обмоток, их изоляция, способы крепления на стержнях зависят от мощности и напряжения трансформатора. Для изготовления обмоток трансформаторов применяют медные провода изолированные хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой.
Одну обмотку включают в сеть с переменным напряжением. Эту обмотку и относящиеся к ней величины - число витков N1, напряжение и1 и ток i1 называют первичными. К другой обмотке, которую называют вторичной (N2, u2, i2), присоединяют приемник электроэнергии ZH.
Переменный ток в первичной обмотке создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками. В результате в них возникают ЭДС:
ЭДС самоиндукции в первичной обмотке е1= -N1 dФ/dt;
ЭДС взаимоиндукции во вторичной обмотке е2= - N2 dФ/dt.
При подключении нагрузки ZH к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е2 в цепи этой обмотки создается ток i2 , а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В повышающих трансформаторах U2>U1, а в понижающих U2<U1. Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называюит обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотку, присоединенную к сети с меньшим напряжением, - обмоткой низшего напряжения (НН).
|
|
|
· Действующие значения ЭДС, наводимых в первичной и вторичной обмотках, определяются по формулам:
Е1=4,44fN1Фm, Е2=4,44fN2Фm, где
Е1 и Е2 - ЭДС первичной и вторичной обмоток, В;
f – частота переменного тока,Гц;
Фm – амплитудное значение магнитного потока, Вб;
N1 и N2 – число витков первичной и вторичной обмоток.
- Отношение ЭДС обмоток, равное отношению чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации n: n=Е1/Е2=N1/N2.
Трансформатор, у которого n >1 называется понижающим, а если n <1 – повышающим.
· Полную мощность однофазного трансформатора, как и во всех электрических цепях, определяют произведением действующих значений напряжения и тока:
на входе S1 = U1 I1; на выходе S2 = U2I2.
Потери энергии в трансформаторе невелики (не более 4 %), поэтому S1 ≈ S2, т. е. справедливо приближенное равенство U1/ U2 ≈ I2/I1, т.е. ток больше в той обмотке, где напряжение меньше.
Свойства трансформатора определяются его номинальными параметрами. Номинальные значения характеризуют работу трансформатора в условиях, на которые он рассчитан для нормальной работы.
|
|
|
· Номинальная мощность трансформатора - мощность на зажимах вторичной обмотки (выражается в вольт-амперах или киловольт-амперах).
· Номинальное первичное напряжение — напряжение первичной обмотки.
· Номинальное вторичное напряжение – напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора и при номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки.
· Номинальные токи – первичный и вторичный токи, вычисленные по номинальной мощности и номинальным напряжениям – первичному и вторичному:
для однофазного трансформатора: Iном1=Sном/Uном1; Iном2=Sном/Uном2;
для трехфазного трансформатора: Iном1=Sном/(31/2Uном1); Iном2=Sном/(31/2Uном2).
Каждый трансформатор рассчитан для включения в сеть переменного тока определенной частоты. В России трансформаторы общего назначения рассчитаны на частоту 50 Гц, в устройствах автоматики и связи применяют трансформаторы на частоты 50, 400 и 1000 Гц.
Потери энергии в трансформаторе складываются из электрических, связанных с протеканием тока по обмоткам (РМ - мощность потерь в меди), и магнитных - на гистерезис (перемагничивание) и вихревые токи в магнитопроводе (Рст - мощность потерь в стали).
|
|
|
Для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи магнитопроводы трансформаторов собирают из листов электротехнической стали (магнитомягкого материала) толщиной 0.5 или 0.35 мм.
Потери энергии в сердечнике и обмотках трансформатора являются причиной выделения теплоты, одна часть которой нагревает трансформатор, а другая передается в окружающую среду. Установившаяся температура не должна превышать допустимые пределы, в противном случае надежность и срок работы трансформатора значительно уменьшается из-за ухудшения электрических и механических свойств электроизоляционных материалов.
- Активная мощность Р1=Р2+(Рм+Рст), где Р1 – мощность на входе, Р2 – мощность потребителя (на выходе), Рст - мощность потерь в стали на гистерезис и вихревые токи, РМ - мощность потерь в меди.
- Отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на входе называется коэффициентом полезного действия трансформатора η=Р2/Р1.
Потери в стали определяют при работе трансформатора в режиме холостого хода
|
|
|
В режиме холостого хода трансформатора (рис.2) первичная обмотка включена в сеть под номинальное напряжение U1нoм (ключ В1 замкнут), а вторичная обмотка разомкнута (I2=0) (ключ В2 разомкнут).
На зажимах вторичной обмотки напряжение равно номинальному U2х=U2ном. Измерив напряжения на обмотках, можно найти коэффициент трансформации:
U1/ U2 ≈Е1/Е2=NI/N2=n.
Ваттметр, включенный в цепь первичной обмотки показывает мощность потерь в магнитопроводе при номинальном напряжении. Так как полезная мощность при работе трансформатора вхолостую равна нулю, то мощность на входе РХ рассеивается в сердечнике в виде мощности потерь в стали Рст на гистерезис и вихревые токи и в первичной обмотке в виде мощности потерь в меди РМ, т.е. РХ=Рст+РМ1=Рст+I12R1. Ток холостого хода по сравнению с номинальным током очень мал (в среднем 5,5 %), поэтому электрические потери можно не учитывать и считать, что в режиме холостого хода Рх= Рст. Величина магнитных потерь при холостом ходе практически такая же, как и врабочем режиме, т.е. Р1=Рх. Поэтому магнитные потери в трансформаторе принято называть потерями холостого хода.
Падение напряжения в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке составляет 5-10% от номинального напряжения, поэтому приблизительное равенство U1 ≈ Е1 при холостом ходе, можно принять и для рабочего режима.
Потери на медь определяются при работе трансформатора в режиме короткого замыкания.
В режиме короткого замыкания трансформатора первичная обмотка включена под некоторое напряжение U1, а вторичная обмотка замкнута на себя (U2=0) (ключи В1 и В2 замкнуты, а движок нагрузочного элемента находится в крайнем левом положении (Zн=0), рис.2).
Короткое замыкание может случиться во время эксплуатации трансформатора, тогда первичное напряжение равно номинальному или близко к нему. В этом случае в обеих обмотках токи резко увеличиваются в 10-20 раз и более против номинальных, потому что сопротивления обмоток невелики. Такой режим очень опасен для трансформатора, так как возможны чрезмерное повышение температуры обмоток и большие механические усилия между токоведущими элементами. Поэтому при создании трансформатора обеспечивают достаточную механическую и термическую прочность, а в схеме его предусматривают противоаварийную защиту, способную отключить трансформатор от сети за время менее одной секунды.
Испытательное короткое замыкание трансформатора, в отличие от аварийного, проводят преднамеренно, причем первичное напряжение снижают до величины U1 = UK, при котором в обеих обмотках устанавливаются токи, равные номинальным токам данного трансформатора. UK % = 100UK /U1НОМ - напряжение короткого замыкания (напряжение, при котором токи в обмотках трансформатора при опыте равны номинальным значениям).
Мощность потерь короткого замыкания (мощность потерь в обмотках) PK=Pм=I1ном2R1+I2ном2R2 . Так как при коротком замыкании основной магнитный поток составляет всего лишь несколько процентов по сравнению с его значением при номинальном первичном напряжении, то магнитными потерями, вызываемыми этим потоком, можно пренебречь. Следовательно, можно считать, что мощность, потребляемая трансформатором, идет полностью на покрытие электрических потерь в обмотках трансформатора.
Полагая РM≈0 можно заключить, что при испытательном режиме короткого замыкания ваттметр на первичной стороне трансформатора показывает мощность потерь в обмотках при номинальных токах.
Коэффициент полезного действия трансформатора. Величина КПД трансформатора зависит от его нагрузки.
Трансформаторы обычно работают с нагрузкой меньше номинальной, определяемой коэффициентом нагрузки kн. Если трансформатор с Sном отдает мощность S2, то kн= S2 /Sном. Значения отдаваемых трансформатором активной и реактивной мощностей зависят от коэффициента мощности потребителя cos φ2 . Например, при известных Sном, kн и cos φ2 отдаваемая активная и реактивная мощности составят: Р2= Sном· cos φ2, Q= Sном· sin φ2.
После измерения мощности потерь холостого хода и короткого замыкания КПД рассчитывают по формулам:
ηном=Р2/(Р1+Pст+РМ) = mU2I2cos φ2/(mU2I2cos φ2+mРм+Pст), где m – число фаз – КПД при номинальной нагрузке
η=kн Sном cos φ2/(kн Sном cos φ2+ Рст+ kн2Рм) -КПД при действительной нагрузке (m=1).
Наибольший КПД трансформатор имеет при нагрузке, которая составляет 50-70 % от номинальной, что соответствует средней эксплуатационной нагрузке трансформатора.
В таблице приведены технические данные некоторых трансформаторов.
Таблица параметров трансформаторов 
Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 17; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!