Режим холостого хода трансформатора

Стр 1 из 5Следующая ⇒

Лекция № 5. Трансформаторы. Асинхронные и синхронные машины

План

1. Назначение, область применения, устройство и принцип действия трансформатора

2. Режим холостого хода трансформатора

3. Рабочий режим работы трансформатора

4 Коэффициент полезного действия трансформатора

5. Трехфазные трансформаторы. Автотрансформаторы

6. Асинхронные электрические машины переменного тока. Устройство и принцип их работы

7. Синхронные электрические машины переменного тока

Назначение, область применения, устройство и принцип действия трансформатора

Экономичная передача больших количеств электроэнергии на дальние расстояния возможна только при весьма высоком напряжении (не ниже 100 кВт), т.к. при более низком напряжении нужны большие токи и для экономичной передачи потребуются провода очень больших сечений [1, ст. 110].

Сечение проводов и потери мощности в них определяются током, а ток при заданной мощности, как известно, зависит от напряжения (1) [2, ст. 304-305]:

; (1)

Напряжение синхронных генераторов электрических станций относительно невелико: 15000 – 24000 В, сечение проводов и потери мощности в проводах линии передачи при этом напряжении были бы слишком велики. Поэтому на электрических станциях с помощью трансформаторов напряжение повышают до 110000 – 750000 В и электроэнергию передают при таком напряжении к местам потребления. Энергия столь высокого напряжения не может быть непосредственно использована подавляющим числом потребителей, поскольку они рассчитаны по технико-экономическим соображениям и условиям безопасности для работы при относительно низком напряжении – порядка 220 – 380 – 500 В. Поэтому в местах потребления электрической энергии (в конце линии передачи) напряжение понижают до требуемых значений также с помощью трансформаторов. Это одна из основных областей применения трансформаторов [2, ст. 305].

С целью экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и распределения ее между разнообразными потребителями появляется необходимость в ее трансформации. Последнее осуществляется с помощью повышающих и понижающих трансформаторов [2, ст. 301].

Трансформаторы широко используются во всякого рода измерительных устройствах, радиоприемниках, телевизорах, осциллографах, для местного освещения и т. п. В этих случаях трансформатор преобразует имеющееся стандартное напряжение электрической сети в напряжение другого значения, которое необходимо для питания отдельных элементов электротехнических устройств [2, ст. 305].

Трансформатор – это статический (без движущихся частей) электромагнитный аппарат, посредством которого переменный ток при одном напряжении преобразуется в переменный ток той же частоты при другом напряжении [1, ст. 110]. Трансформаторы бывают 2-х типов: повышающие и понижающие. Так же различают силовые трансформаторы (от единиц до нескольких сотен тысяч киловольт-ампер) и трансформаторы малой мощности (10 – 300 ВА). Первые используют в сетях распределения электрической энергии, последние – в разных областях новой техники: в радиоэлектронике, автоматике, реактивной технике и т. д [3, ст. 96].

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального сердечника (рис. 1.1) (магнитопровода), и двух обмоток – первичной с числом витков W₁ и вторичной с числом витков

W₂ [3, ст. 96]. Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при перемагничивании, сердечники собирают из отдельных тонких (0,3 – 0,5 мм) пластин специальной трансформаторной стали. Для уменьшения потерь для вихревых токов пластины изолируют друг от друга путем покрытия их изолирующими пленками [4, ст. 130]. Если к первичной обмотке трансформатора подвести переменное напряжение U₁, то в ней

Рис. 1.1. Схема простейшего однофазного трансформатора

появится некоторый ток i₀₁, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток Ф₀. Этот поток по закону электромагнитной индукции наведет в обеих обмотках ЭДС индукции е₁ и е₂ (2) [4, ст. 131; 3, ст. 97]:

; (2)

Если приложенное напряжение равно , то в идеальном трансформаторе (без потерь) его первичная обмотка будет представлять собой индуктивность, и ток будет отставать по фазе от напряжения на (3) [4, ст. 131; 3, ст. 97]:

; (3)

Магнитный поток будет совпадать по фазе с током, его создающим (4) [4, ст. 131; 3, ст. 97]:

(4)

ЭДС е₁ и е₂ будут равны (5) [4, ст. 132; 3, ст. 97]:

; (5)

Поскольку, для идеального трансформатора в соответствии со II – м законом Кирхгофа u₁ = – e₁ и u₂ = – e₂, то (6) [4, ст. 132; 3, ст. 97]:

; (6)

где k – коэффициент трансформации.

Трансформатор преобразует подведенное к нему напряжение в соответствии с отношением числа витков в обмотке. Векторная диаграмма идеального трансформатора показана на рисунке (1.2) [4, ст. 132; 3, ст. 97]: Однофазные трансформаторы на схемах электрических цепей изображаются следующими схемами (рис. 1.3). Начало и конец первичной обмотки обозначаются большими буквами А и Х, а вторичной обмотки – малыми буквами а и х соответственно. Предполагается, что направление обмотки от начала к концу, относительно магнитопровода обеих обмоток

Рис. 1.2. Векторная диаграмма идеального трансформатора

одинаковое – или по часовой, или против часовой стрелки. [2, ст. 304].

Рис. 1.3. Схемы однофазных трансформаторов

Режим холостого хода трансформатора

Режим холостого хода трансформатора имеет место, когда разомкнута цепь его вторичной обмотки. В обмотке нет тока и она не оказывает влияния на режим работы первичной обмотки. В режиме холостого хода процессы, происходящие в трансформаторе, аналогичны процессам в катушке с ферромагнитным магнитопроводом [2, ст. 306].

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями. В отличие от электрических машин, трансформатор не имеет движущихся частей, поэтому механические потери при работе отсутствуют. Имеющиеся потери обусловлены явлением гистерезиса, токами Фуко, потоками рассеивания магнитного поля и активным сопротивлением обмоток [4, ст. 133].

В ферромагнетике, подвергаемом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса (рис. 1.4.). В результате, ток в катушке оказывается несинусоидальным и сдвинутым по фазе относительно потока на некоторый небольшой угол потерь (5 – 7°). Этот ток можно представить в виде суммы двух токов (7) – намагничивающего тока (реактивного) и тока гистерезиса (активного). Появление тока гистерезиса следует из физической сущности данного явления: на перемагничивание сердечника затрачивается энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Она идет на нагревание сердечника. Для уменьшения потерь на гистерезис сердечники трансформаторов изготавливают из специальной трансформаторной стали.

Магнитопровод трансформаторов собирается из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм, между которыми есть изоляционная прослойка в виде лака, окалины или клея. Потери электрической энергии в магнитопроводе невелики и, следовательно, невелик и ток I_а, обусловленный этими потерями. Воздушный зазор магнитопровода, определяемый качеством обработки отдельных листов и качеством сборки, относительно невелик. Листы слоев магнитопровода собираются внахлестку: последующий слой перекрывает воздушные промежутки в стыках листов предыдущего слоя, что приводит к существенному уменьшению эквивалентного воздушного зазора магнитопровода трансформатора. По этой причине намагничивающий ток I_р трансформатора и ток холостого хода трансформатора, равный I₁₀ – невелик. Ток холостого хода составляет всего 5 – 10% номинального значения (7) [2, ст. 306]:

; (7)

Необходимо отметить, что ток I_а значительно меньше I_р. Поэтому при анализе работы и в расчетных формулах часто принимают [2, ст. 306].

Следует обратить внимание на то, что петля перемагничивания электротехнической стали магнитопроводов трансформаторов относительно «узкая» (рис. 1.4), и значение амплитуды магнитной индукции В_т для обычных трансформаторов выбирается в пределах 1,2 – 1,6 Тл (Тесла (русское обозначение: Тл; международное обозначение: T) – единица измерения индукции магнитного поля), что соответствует примерно точке кривой намагничивания, лежащей на

«изгибе», поэтому в пределах изменения В от В = 0 до В = В_т зависимость тока от магнитной индукции примернолинейная. Поскольку магнитный поток и, следовательно, магнитная индукция изменяются синусоидально, намагничивающий ток также будет изменяться по закону, близкому к синусоидальному. В дальнейшем будем считать, что ток холостого хода изменяется по синусоидальному закону. На рис. 1.5 изображены схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора при холостом ходе (Е₂ на рисунке не показана). В схеме замещения r₀ – активное

Рис. 1.4. Кривая намагничивания трансформаторной стали

сопротивление, потери мощности в котором равны потерям мощности в магнитопроводе трансформатора, х₀ – индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное основным магнитным потоком, r₁ – активное сопротивление первичной обмотки, х₁ – индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоками рассеяния [2, ст. 307]:

Рис. 1.5. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора при холостом ходе

Уравнение электрического состояния первичной цепи трансформатора при холостом ходе (8) [2, ст. 307]:

; (8)

Напряжение на выводах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора будет равно (9) [2, ст. 307]:

; (9)

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 607; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!