Режимы работ трансформатора. Потери и КПД трансформатора.

ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ УЧИЛИЩЕ ВНУТРЕННИХ ВОЙСК

МВД РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Кафедра технического и тылового обеспечения

                                                                                                     

Экземпляров ____

Экз. № ____

 

Л Е К Ц И Я

По Электротехнике

 

ТЕМА№6.1 «Трансформаторы»

 

                                                                                         Рассмотрена на заседании кафедры

                                                         протокол №___от «___»_______200_.  Уточнено: «___» ______ 200 _ г.

«___» ______ 200 _ г.

По книге учета методических разработок зарегистрировано за № ____

 

                                                                                                                                          

 

Г. ПЕТРОПАВЛОВСК

                                               ″Утверждаю″

                                         Начальник кафедры технического

                   и тылового обеспечения

                                             майор                        К. Бекбенбетов

                                      «  » ___________ 2007 года

 

  

                                                              Рег. № _______

Экз.№ _______

План-конспект

Лекционного занятия

Тема №6: «Трансформаторы, электрические машины переменного тока».

Тема занятия №1: Трансформаторы

 

Учебные вопросы:.

1. Назначение, устройство и принцип действия трансформаторов. Схемы трансформаторов.

2. Режимы работ трансформатора. Потери и КПД трансформатора

3. Виды трансформатора, их маркировка

Учебный вопрос №1.

Назначение, устройство и принцип действия трансформаторов. Схемы трансформаторов.

Общие сведения

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования энергии переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте тока. Трансформаторы широко используются для передачи и распределения электроэнергии переменным током. Для более экономной передачи электроэнергии на большие расстояния, т. е. с меньшими потерями и с большей экономией цветного металла, необходимо передавать ток большого напряжения.

Трансформаторы, увеличивающие напряжение переменного тока, называются повышающими, а уменьшающие напряжение — понижающими.

Устройство однофазного трансформатора

Однофазный трансформатор применяется в однофазной цепи переменного тока. Трансформатор состоит из сердечника и двух или трех обмоток изолированного провода, размещенныx на сердечнике. Обмотки выполняются в виде катушек прямоугольной или круглой формы. Обмотка, подключаемая к источнику тока, называется первичной, а обмотка, с которой снимается напряжение,— вторичной. У трехобмоточного трансформатора имеются две вторичные обмотки, что дает возможность получить два различных напряжения. Сердечник делается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм и служит магнитопроводом трансформатора. Для уменьшения вихревых токов, а следовательно, и потерь в стали листы сердечника изолируются лаком.

В зависимости от формы сердечника однофазные трансформаторы бывают стержневые и броневые. В стержневом трансформаторе магнитопровод имеет форму замкнутого прямоугольника (рис. 1 а), а первичная и вторичная обмотка надеты на оба стержня, причем одна половина обмотки — на одном стержне, а другая половина — на другом. Обмотка с меньшим числом витков толстого провода размещается ближе к сердечнику и обозначается на схемах НН (низшее напряжение), поверх нее наматывается обмотка с большим числом витков тонкого провода и обозначается на схемах ВН (высшее напряжение). Намотка обмоток на обоих стержнях проводится так, чтобы их магнитные потоки складывались, т. е. если в обмотке на первом стержне намотка идет по часовой стрелке, то на втором — против.

В броневом трансформаторе первичная и вторичная обмотки находятся на среднем стержне магнитопровода, который разветвляется и охватывает обмотки (рис. 1 б). Обмотка броневого трансформатора выполняется так же, как и стержневого, или в виде дисковой катушки, где чередуются диски высшего и низшего напряжения.

 

Рис. 1      а.                                                     б.

Работа трансформатора основана на принципе взаимоиндукции. На (рис. 2) схематически показано устройство однофазного трансформатора. При подключении первичной обмотки трансформатора к синусоидальному напряжению сети в ней возникает ток , создающий магнитный поток первичной обмотки.

 

Рис. 2.Принцип действия трансформатора.

     

    Основная часть этого магнитного потока Ф сосредоточивается в магнитопроводе и называется рабочим потоком. Из-за гистерезиса в магнитопроводе рабочий магнитный поток отстает по фазе от намагничивающего тока:

Небольшая часть магнитного потока замыкается около витков, проходя в основном путь по воздуху, и называется потоком рассеяния Ф_р. Поток рассеяния совпадает по фазе с током:

 

Магнитный поток рассеяния возбуждает в первичной обмотке трансформатора ЭДС рассеяния:

(1)

где  — число витков в обмотке.

Из уравнения (1) видно, что ЭДС самоиндукции отстает по фазе от магнитного потока рассеяния на 90 °.

Рабочий магнитный поток одновременно пронизывает первич­ную и вторичную обмотки трансформатора и возбуждает в пер­вичной обмотке ЭДС самоиндукции , а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции ₂.

Мгновенное значение ЭДС самоиндукции:

 

                                                                                                                     

 

 

Следовательно, ЭДС самоиндукции отстает по фазе от рабо­чего магнитного потока на 90°. Величина, стоящая перед знаком синуса, представляет собой амплитуду переменной величины:

              (2)                                                            

Из равенства (2) действующее значение ЭДС самоиндукции выразится формулой

 

ЭДС взаимоиндукции выразится аналогичной формулой, так как возбуждается тем же магнитным потоком:

Действующее значение ЭДС  рассеяния

 

- ЭДС   самоиндукции первичной обмотки, по правилу Ленца

 

направлены в сторону, противоположную подведенному к первичной обмотке напряжению U₁.

Следовательно, подведенное напряжение U₁ уравновешивает ЭДС самоиндукции   и создает падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки .   

Математически это можно записать:      

                                                                                        

                    (3)

 

Устройство и принцип действия трехфазных трансформаторов

Трехфазный трансформатор (рис.3) состоит из магнитопровода 11, обмотки низшего напряжения 12, обмотки высшего напряжения 13 и бака 1, заполненного трансформаторным маслом. Масло в бак заливается через отверстие в крышке, закрытое пробкой 7, а сливается через отверстие 14. Вывод обмоток ВН через крышку бака осуществляется при помощи проходных изоляторов 5, а обмоток НН — при помощи проходных изо­ляторов 6.

Для лучшей теплоотдачи поверхность бака делается ребрис­той или с циркулярными трубами 10, сообщающимися с верхней и нижней частями конструкции.

При нагрузке трансфор­матора масло нагревается и расширяется. Для сбора избыточного масла устанавливается расширитель 8 с масломерной стеклянной трубкой 9. Для наблюдения за температурой масла на крышке бака устанавлива­ется термометр 4. Кроме того, на крышке бака поме­щается переключатель числа витков обмотки ВН 2 и при­вод 3 к переключателю. Трансформаторы на 10кВ изготовляются с трубчатыми стенками и расширителем. Нашей промышленностью выпускаются трехфазные потребительские трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой.

 

 

Рис. 3

Для регулирова­ния напряжения обмотка высшего напряжения имеет три ответвления ( + 5%; 0; —5%). Число витков вторичной обмотки не меняется. Для автоматического регулирования на­пряжения применяется магнитный усилитель. Промышленностью выпускаются также более мощные трехфазные трансформаторы с автоматическим регулированием напряжения под нагрузкой типа ТМН 35/10,5 кВ мощностью 560, 1000 и 1800 кВ • А. Такие трансформаторы обеспечивают постоянство напряжения вторичной обмотки независимо от нагрузки. Это достигается путем переклю­чения витков первичной обмотки при неизменном числе витков вторичной обмотки. Витки, регулирующие напряжение, размеще­ны в средней части обмотки высшего напряжения в виде восьми секций, дающих возможность изменять напряжение в пределах ±10% номинального напряжения. Если напряжение подводится к обмоткам низшего, а снимается с обмоток высшего напряжения, то трансформатор называется повышающим. Если же, наоборот, напряжение подводится к об­моткам высшего напряжения, а снимается с обмоток низшего напряжения, то трансформатор называется понижающим.

Обмотки трансформатора высшего и низшего напряжения мо­гут соединяться звездой и треугольником. При соединении звездой концы обмоток замыкаются вместе, а начала подключаются в сеть. При соединении треугольником конец первой обмотки соединяет­ся с началом второй, конец второй с началом третьей, конец третьей с началом первой обмотки, а узлы соединений подключа­ются в сеть или к нагрузке (рис. 4)

Рис. 4

По способу соединения обмоток, расположения фаз и выводов фазных обмоток трехфазные трансформаторы разделяются на 12 групп.

При обозначении способа и группы соединения трансформато­ра сначала пишут значок способа соединения обмотки ВН, справа от него значок способа соединения обмотки НН и число, указы­вающее группу соединения. Если соединение обмоток выводится к нулевому зажиму на крышке трансформаторного бака, то пи­шется значок Y_o.

В практике возможны следующие способы соединения обмоток трехфазных трансформаторов: Y/Y_o; Y/Y; Y/D ; D/Y ; D/D. По ГОСТу 401-41 приняты к эксплуатации только три группы соединения: Y/Yo —12; Y/D - 11 и Yo/D - 11.

Коэффициент трансформации трехфазных трансформаторов определяется отношением линейных напряжений обмоток высше­го и низшего напряжений и зависит не только от числа витков в обмотках ВН и НН, но и от способа их соединения. Для пони­жающих трансформаторов при соединении Y/Y и D/D коэффи­циент трансформации определяется отношением витков в обмот­ках трансформатора:

При соединении Y/D и D/Y коэффициент трансформации выразится отношением:

 

Для повышающих трансформаторов коэффициенты трансформации выражаются аналогичными формулами.

 

Учебный вопрос №2.

Режимы работ трансформатора. Потери и КПД трансформатора.

Холостой ход

Холостым ходом трансформатора называется такой режим работы, при котором вторичная обмотка разомкнута (I₂ = 0).

Ток холостого хода трансформатора составляет 3—10 % номи­нального тока и обозначается I₀.

Коэффициентом трансформации трансформатора называется отношение ЭДС обмоток трансформатора. Для однофазного трансформатора коэффициент трансформации выразится формулой

e₂  можно измерить при непосредственном подключении вольтмет­ра к клеммам незамкнутой вторичной обмотки. В этом случае

В силовых трансформаторах падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки при холостом ходе трансформа­тора составляет 1—2 % подведенного напряжения. Поэтому этой величиной можно пренебречь и уравнение (3) примет вид: 

,      т.е.    .

Таким образом, коэффициент трансформации с учетом ука­занных допущений можно определить путем измерения напря­жения в сети и ЭДС вторичной обмотки трансформатора:

Режим холостого хода трансформатора дает возможность практически определить коэффициент трансформации. В паспорте трансформатора указывается коэффициент трансформации как отношение высшего напряжения к низшему: например, 110/35; 10/0,4 (напряжения взяты в киловольтах).

Рабочий режим трансформатора

  

Рабочим режимом трансформатора называется рабо­та трансформатора при замкнутой на нагрузку вторичной об­мотке. Во вторичной обмотке при этом появится ток I₂, создающий ее магнитный поток. Магнитный поток первичной обмотки Ф₁, создается током I_ь который определяется напряжением U₁,, а Ф₂ — током I₂, созданным ЭДС e₂, которая направлена противоположно (правило Ленца). Следовательно, и магнитный поток Ф₂ имеет направление, противоположное направлению магнитного пото­ка Ф₁. Уменьшение магнитного потока первичной обмотки ведет к уменьшению ее реактивного сопротивления и увеличению тока I₁.

Следовательно, при постоянном напряжении сети U₁ток в первичной обмотке I₁ возрастает до значения, обеспечивающего восстановление основного магнитного потока Ф до первоначаль­ной величины. Таким образом, основной магнитный поток и при холостом ходе, и при нагрузке трансформатора остается неизмен­ным и равным векторной сумме потоков первичной (Ф₁) и вто­ричной (Ф₂) обмоток:

С увеличением нагрузки трансформатора увеличиваются токи I₂ и I₂, а значит, растет и мощность, поступающая из сети. При уменьшении нагрузки уменьшается вторичный ток, следова­тельно, и первичный ток тоже должен уменьшиться. В этом ска­зывается общий принцип саморегулирования, который действи­телен для всех электрических машин.

При номинальной нагрузке КПД трансформатора, если не учитывать небольшую разницу между cos j₁ и cos j₂, можно записать:

 

Следовательно,

т. е. токи в обмотках трансформатора при номинальной и близкой к номинальной нагрузках обратно пропорциональны напряжениям на обмотках.

КПД трансформатора

 

КПД трансформатора, как и всякой другой машины, определяется отношением полезной мощности ко всей подведенной. Полезной мощностью для трансформатора является мощность, снимаемая со вторичной обмотки P₂ = I₂ U₂ cos j₂, а подведенной — мощность P₁,идущая из сети в первичную обмотку. Поступаю­щая из сети мощность может быть выражена через полезную мощность и потери мощности в трансформаторе.

Электрические потери в трансформаторе складываются из потерь в меди Р_м, вызванных нагреванием обмоток трансформа­тора, и потерь в стали Р_с, вызванных гистерезисом и вихревыми токами в сердечнике.

В таком случае КПД трансформатора может быть выражен формулой

Потери мощности в меди определяются как сумма потерь в первичной и вторичной обмотках: Р_м = r₁I₁² + г₂Iг².  Они зависят от нагрузки трансформатора к называются переменными потерями.

Потери мощности в стали определяются величиной и часто­той изменения магнитного потока и от нагрузки не зависят. Потери в стали называются постоянными потерями.

При работе трансформатора в рабочем режиме считают на­пряжение на вторичной обмотке равным номинальному: U₂ ~ U_2н,а потери в стали постоянными: Р_с= const. На практике при работе трансформатора ток во вторичной обмотке I₂ не всегда равен номинальному току I_2нпоэтому вводится коэффициент

загрузки      и КПД трансформатора определяется так:

Полезная мощность при активной нагрузке измеряется с помощью амперметра и вольтметра, а при смешанной (активной и реактивной) -с помощью однофазного ваттметра.

Потери в стали приблизительно можноизмерить в режиме холостого хода трансформатора с помощью однофазного ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора. Подключение вольтметра во вторичную обмотку можно приближенно считать режимом холостого хода трансформатора. В данном режиме потери в меди в paсчет не принимаются, так как током во вторичной обмотке можно пренебречь, а в первичной ток холостого хода незначительный, и потери мощностив первичной обмоткетоже незначительные.

Потери в меди измеряются в режиме короткого замыкания трансформатора с помощью однофазного ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора. Подключение амперметра во вторичную обмотку трансформатора можно считать режимом короткого замыкания. Напряжение U₁устанавливается таким, чтобы ток I₂ был номинальным. Потерями в стали можно пренебречь, таккак они обусловлены магнитным потоком, который в режиме короткого замыкания трансформатора очень мал. Действительно, потери в меди определяются при номи­нальных токах в обмотках трансформатора. При коротком замыкании вторичной обмотки номинальный ток в ней будет создан при напряжении U_2k значительно  меньшем номинального напряжения, а значит и магнитный поток будет значительно меньше номинального магнитного потока и им можно пренебречь.

 

Учебный вопрос №3.

---

Дата добавления: 2018-05-01; просмотров: 872; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!