Трансформаторы. Передача электрической энергии. Какое определение понятия трансформатор будет вернымТрансформаторы :: Класс!ная физика     Трансформаторы - это просто! «Физика - 11 класс» Назначение трансформаторов Трансформатором называется электротехнические устройства с помощью которого осуществляется преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности. Впервые подобные устройства были использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света.Позднее эти устройства получили название трансфораторов.Трансформатор Яблочкова состоял из двух цилиндрических катушек, надетых на стальной стержень, собранный из отдельных проволок. Устройство трансформатора Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Условное обозначение трансформатора на электрических схемахТрансформатор на холостом ходу Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции, открытым Майклом Фарадеем в 1831 году. Явление электромагнитной индукции: при изменении тока в цепи первой катушки во второй катушке, расположенной рядом, возникает электрический ток. При питании катушки от источника постоянного тока ток во второй катушке существует только в моменты изменения тока в первой катушке, а на практике - при замыкании и размыкании цепи первой катушки.Для длительного существования тока необходио непрерывно изменять ток в первой катушке. А это возможно, если соединить ее с источником переменного напряжения. При синусоидальном характере тока в первой катушке ток во второй катушке будет также синусоидальным. Мгновенное значение ЭДС индукции е во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея оно определяется формулой е = -Ф' где Ф' — производная потока магнитной индукции по времени. В первичной обмотке, имеющей N1 витков, полная ЭДС индукции e1 = N1e Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции e2 = N2e где N2 — число витков этой обмотки. Отсюда следует, что Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции: При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и имеет место соотношение Мгновенные значения ЭДС e1 и e2 изменяются синфазно, т.е. одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль. Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений ЭДС и напряжений Отношение напряжений на обмотках при работе трансформатора на холостом ходу (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации - К.Трансформаторы используются как для повышения напряжения, так и для понижения, т.е. могут быть повышающими и понижающими.Если К>1, то трансформатор является понижающим,если К, то трансформатор - повышающий. Работа нагруженного трансформатора Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, т.е. нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток создаст в сердечнике свой переменный магнитный поток, который будет уменьшать изменения магнитного потока в сердечнике. Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока не произойдет, так как Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличится сила тока в первичной обмотке.Его амплитуда возрастет таким образом, что восстановится прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока. Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой. При подключении нагрузки ко вторичной цепи КПД трансформатора близок к 100%. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, примерно равна мощности во вторичной цепи: При повышении с помощью трансформатора напряжения в несколько раз, сила тока во столько же раз уменьшается (и наоборот). Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение примерно одинаково в первичной и вторичной обмотках Чтобы уменььшить нагревание сердечника, его собирают из отдельных стальных пластин, которые изолируются друг от друга бумагой, лаком или окисью металла сердечника.В трансформаторах малой мощности применяют круглые тороидальные сердечники из стальных колец или стальной ленты.Для повышения КПД в трансформаторах обмотки высокого и низкого напряжения располагают на одних и тех же стержнях.В радиотехнике обмотки часто наматываются на средний стерженьь. При работе трансформатора обмотки нагреваются, для их охлаждения мощные трансформаторы помещают даже в баки с жидким маслом (масляные трансформаторы). Трансформаторы широко используют в радиоаппаратуре, а также для передачи электроэнергии на большие расстояния в линиях электропередач, для этого строятся трансформаторные подстанции. Источник: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин Производство, передача и использование электрической энергии. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика Генерирование электрической энергии --- Трансформаторы --- Производство, передача и использование электрической энергии Устали? - Отдыхаем!  Вверх
1. На каком законе физики основан принцип действия трансформатора?На законе электромагнитной индукции и явлении взаимной индукции. 2. Закон электромагнитной индукции. Формула. Определение. Электродвижущая сила индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. 3. Трансформатор – источник энергии или преобразователь? Трансформатор – преобразователь эл.энергии переменного тока одного напряжения в другое напряжение. 4. Чем отличается стержневой трансформатор от бронестержневого? Стержневой имеет 2 ярма, бронестержневой – развитой ярмо, которое частично закрывает обмотки. 5. Будет ли работать трансформатор, если стальной сердечник заменить на деревянный? Будет. 6. Чем отличаются галетные обмотки от концентрических? Концентрические обмотки выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга(первичная внутри вторичной), галетные –также виде цилиндра, располагаются вторичная между первичными. 7. Почему сердечник набирается из стальных листов, а не делается сплошным? Потому что, чем больше толщина сплошного стального листа, тем больше потери на вихревые токи. 8. Для чего делают транспозицию проводников обмоток? Для выравнивания полных сопротивлений проводов во избежание неравномерного распределения тока в винтовой обмотке. 9. Какие функции выполняет трансформаторное масло? 1) Охлаждение обмоток и магнитопровода трансформатора. 2) Повышает электрическую прочность изоляции обмоток трансформатора, предотвращает увлажнение изоляции и потерю изоляционных свойств под влиянием атмосферных воздействий. 10. Для чего устанавливают газовое реле в трансформаторах с масляным охлаждением? Для защиты от аварий (при значительном выделении взрывоопасных газов, возникающих в результате разложения масла, реле автоматически выключает трансформатор, предупреждая развитие аварии). Используется в трансформаторах мощностью более 1000 кВ*А. 11. Для чего служит первичная обмотка в трансформаторах? Для создания переменного магнитного потока (при подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток, который создает переменный магнитный поток, который, в свою очередь индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС). 12. Уравнение трансформаторной ЭДС. Формула.
f – частота приложенного напряжения w - количество витков обмотки Фm – Амплитуда магнитного потока 13. Коэффициент трансформации. Формула. ЕВН – ЭДС обмотки высшего напряжения ЕНН – ЭДС обмотки низшего напряжения wВН – число витков обмотки высшего напряжения wНН – число витков обмотки низшего напряжения 14. Поток рассеяния. Определение. Поток, образованный замыканием магнитных линий по немагнитной среде, не принимающий участия в трансформировании энергии. (Основной магнитный поток пронизывает витки как первичной, так и вторичной обмоток. Некоторая часть магнитных линий замыкается по немагнитной среде, образуя потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток. Потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток обычно очень малы по сравнению с основным магнитным потоком, так как магнитные линии потоков рассеяния замыкаются через воздух (или другой изоляционный материал) и встречают на своем пути очень большое магнитное сопротивление, тогда как основной магнитный поток замыкается по стали магнитопровода и встречает, на своем пути относительно малое магнитное сопротивление). studfiles.net Понятие о магнитном равновесии трансформатораНа пути от генератора к потребителю электрическая энергия обычно несколько раз трансформируется. Генераторное напряжение на электростанции повышается для передачи на большое расстояние до районной подстанции, где напряжение снижается до 10 (или 6 кВ и энергия распределяется, по кабельной сети. Вблизи потребителей, напряжение с 10 или 6 кВ еще раз трансформируется, например до 380 / 220 В (смотрите рисунок 9, а, в статье "Схема соединения "Звезда"). Таким образом, в системе передачи трансформаторы являются непременными звеньями, а особенность трансформаторов состоит в том, что их первичные и вторичные обмотки электрически изолированы и связаны только магнитно. Итак, средством передачи энергии от первичной ко вторичной обмотке является магнитный поток. Следовательно, его величина, форма и фаза определяют в трансформаторе величину, форму и фазу электродвижущей силы (э. д. с.) вторичной обмотки. Иными словами, магнитный поток должен быть таков, чтобы э. д. с. вторичных обмоток трех фаз были равны по величине, взаимно сдвинуты на ⅓ периода и синусоидальны. Равенство э. д. с. нужно затем, чтобы лампы одинаковой мощности, присоединенные к разным фазам, светили одинаково и чтобы обмотки каждой фазы трехфазного двигателя в равной мере участвовали в образовании вращающего момента. Взаимный сдвиг на ⅓ периода важен, например, для создания равномерно вращающегося магнитного потока в трехфазных двигателях и обеспечения магнитного равновесия в трехфазных трансформаторах (смотрите ниже). Вопрос о синусоидальности э. д. с. значительно сложнее и поэтому рассматривается несколько подробнее. Почему предпочтительны синусоидальные токи?Синусоидальные токи хороши тем, что они изменяются плавно. А в электротехнике плавность изменений тока так же важна, как в механике важна плавность изменений скорости. Действительно, поломки в механике (перенапряжения в электроустановках) возникают не при больших скоростях, а при изменениях скоростей. И чем резче изменение, тем большие силы возникают и тем выше перенапряжения. Предельный случай неравномерности тока – следствие размыкания цепи, причем чем быстрее обрывается ток (тем больше скорость изменения магнитного потока, созданного током), тем выше перенапряжение. А его следствием являются: дуга на контактах при их размыкании; пробой транзистора при закрытии; повреждение изоляции в местах, где она ослаблена. Яркий общеизвестный пример возникновения значительных напряжений в результате прерывания тока – автомобильная бобина; к ней через прерыватель подводится ток от шестивольтового аккумулятора, а на вторичной обмотке получается 12000 – 15000 В. В автомобиле это нужно для зажигания, и изоляция проводки к свечам зажигания соответственно рассчитана. Но что было бы с изоляцией электроустановки, если бы переменный ток частотой 50 Гц 100 раз в секунду не снижался плавно до нуля, а изменялся скачкообразно? Несинусоидальные токиК сожалению, токи, изменяющиеся не скачками, но далеко не так плавно, как синусоида, в электроустановках далеко не редкость. Такие токи называются несинусоидальными. Они могут возникать и в генераторах, и в трансформаторах, и вообще в любых цепях, где имеются обмотки на стальных, ферритовых и пермаллоевых сердечниках, в режимах, когда проявляется насыщение. Резко несинусоидальны выпрямленные токи, а выпрямительные установки мощностью в десятки тысячи киловатт в настоящее время широко применяются в электролизной технике и для электротяги. Несинусоидальность всегда возникает в сетях с газоразрядными, например люминесцентными, лампами. С таким случаем мы уже встречались в статье "Схема соединения "Звезда", рисунок 8 при рассмотрении соединения в звезду люминесцентных ламп. Следствием несинусоидальности в данном примере явилась необходимость значительно увеличить сечение нейтрального провода. Несинусоидальные токи интересны не только теоретически. В практике они иногда вызывают "непонятные" и отнюдь не благоприятные явления. Поэтому необходимо хотя бы в общих чертах познакомиться с несинусоидальными токами. В электротехнике доказывается, что несинусоидальный ток (э. д. с., напряжение) в самом общем случае можно представить как сумму постоянной составляющей (постоянного тока, э. д. с., напряжения) и нескольких синусоидальных токов; период каждого из них в целое число раз меньше периода несинусоидального тока (э. д. с., напряжения). Синусоида, имеющая частоту несинусоидального тока (основную частоту), называется первой гармоникой. Синусоиды, имеющие большие частоты, называются высшими гармониками. Так, синусоиды с частотами, в 3 и 5 раз большими основной частоты, называются соответственно третьей и пятой гармониками. На рисунке 1, а показаны несинусоидальные токи (кривые 1) трех фаз, содержащие первую (кривые 2) и третью (кривые 3) гармоники. Рисунок 1, б иллюстрирует несинусоидальный ток 4 фазы A, содержащий первую (кривая 2) и пятую (кривая 5) гармоники. И, наконец, на рисунке 1, в изображен несинусоидальный ток 6 фазы A, состоящий из первой 2, третьей 3 и пятой 5 гармоник. Именно такие несинусоидальные токи (то есть содержащие только нечетные гармоники, преимущественно третью и пятую) наиболее часто встречаются в электроустановках, содержащих стальные сердечники.
Рисунок 1. Понятие о несинусоидальных токах. Зачем же фактически существующий несинусоидальный ток заменять суммой синусоидальных токов? Ответить на этот вопрос можно, проведя аналогию с приемом, применяемым при механических расчетах, когда в одних случаях несколько сил заменяют их равнодействующей, а в других – наоборот, одну силу сначала разлагают на составляющие, действующие по взаимно перпендикулярным направлениям, затем определяют порознь действие составляющих сил (это легче сделать) и, наконец, надлежащим образом суммируют полученные результаты. Аналогично несинусоидальные величины удобно сначала разложить на несколько синусоидальных и рассматривать действие каждой из них. Удобство состоит в том, что синусоидальные величины изображаются векторами, а действия с векторами производят либо графически (смотрите статью "Основные понятия и определения о переменном токе"), либо аналитически, не прибегая к чертежам. С этой целью каждый вектор записывают как комплексное число и затем, пользуясь символическим методом, производят сложение, вычитание, умножение – словом, необходимые действия с любой степенью точности. Полученные результаты на любой стадии вычислений можно для наглядности представить графически, так как комплексные числа очень просто изображаются векторами. С комплексными числами и символическим методом читатели могут ознакомиться в любом курсе электротехники. Возвращаясь к рисунку 1, можно заметить следующие особенности третьей и пятой гармоник:а) третьи гармоники трех фаз совпадают по фазе, то есть достигают нулевых и максимальных значений соответственно одновременно;б) пятые гармоники имеют обратную последовательность фаз. Это значит, что нулевые и максимальные значения разных фаз следуют в порядке A, C, B, а не A, B, C, если таков порядок чередования фаз первой гармоники;в) частота третьей гармоники втрое больше частоты первой гармоники, а пятой – в 5 раз;г) амплитуда фазных несинусоидальных э. д. с. выше амплитуды синусоидальных э. д. с. Что же из этого следует? Совпадение по фазе токов третьих (девятых и других, кратных трем) гармоник в трехфазной системе приводит, во-первых, к арифметическому суммированию их в нейтральном проводе (статья "Схема соединения "Звезда", рисунок 8). Во-вторых, в трехстержневом трехфазном трансформаторе магнитные потоки ФA3, ФB3, ФC3, созданные токами третьих гармоник фаз A, B и C, во всех трех стержнях направлены навстречу. Следовательно, они не могут, сходясь в ярме, уравновеситься и вынуждены замыкаться через кожух трансформатора, как показано штриховыми линиями на рисунке 2. (Сравните с магнитными потоками ФA1, ФB1, ФC1 созданными токами первой гармоники. Эти потоки в силу сдвига на ⅓ периода в любой момент в двух стержнях направлены вниз, а в третьем стержне – вверх. Они уравновешивают друг друга, то есть сходясь в ярме, дают нуль, подобно тому, как токи трех фаз, геометрически суммируясь, дают нуль в нейтральном проводе.)
Итак, переменные магнитные потоки третьих гармоник замыкаются через кожух трансформатора и наводят в нем вихревые токи, которые нагревают кожух. А это плохо и потому, что на нагревание расходуется энергия, и потому, что чем горячее кожух, тем меньше отводится тепла от обмоток и магнитопровода трансформатора. Перегревать обмотки нельзя, чтобы не испортить изоляцию. Поэтому приходится недогружать трансформатор 1. Обратная последовательность фаз пятой гармоники создает в электродвигателе магнитное поле, вращающееся в обратную сторону по сравнению с направлением вращения основного поля. Следовательно, поле пятой гармоники (и других гармоник, имеющих обратную последовательность) тормозит ротор. Повышенная частота высших гармоник создает условия для возникновения резонанса, что может привести к увеличению тока и значительному повышению напряжения. Дело в том, что резонанс наступает, когда индуктивное и емкостное сопротивления, действующие совместно, становятся равными по абсолютной величине, чему как раз и благоприятствует повышение частоты. Действительно, чем частота меньше, тем индуктивное сопротивление меньше, а емкостное больше. С повышением частоты, например втрое, индуктивное сопротивление xL возрастает в 3 раза, а емкостное xC в 3 раза уменьшается. Например, если при частоте 50 Гц xL = 10 Ом, xC = 90 Ом (разница в 9 раз), то при 150 Гц xL = xC = 30 Ом, а именно равенство xL и xC является условием резонанса. Повышенная амплитуда фазных э. д. с. из-за наличия высших гармоник ухудшает условия работы изоляции фазных обмоток трансформаторов и потребителей, включенных на фазное напряжение. Обратите внимание: речь идет о третьих (и кратных трем) гармониках в фазных э. д. с. При симметричной нагрузке в линейных э. д. с. третьих гармоник не бывает ни при соединении генератора или трансформатора в звезду, ни при соединении в треугольник. Действительно, при соединении в звезду линейные э. д. c. (напряжения) определяются геометрическим вычитанием э. д. с. (напряжений) двух фаз (смотрите статью "Схема соединения "Звезда"). Но для третьих гармоник это арифметическая разность и, следовательно, она равна нулю. При соединении в треугольник (смотрите "Схема соединения "Треугольник") под действием э. д. с. третьей гармоники в замкнутом контуре обмоток возникает ток третьей гармоники. Он создает в каждой обмотке падение напряжения, равное и противоположное э. д. с. третьей гармоники. Поэтому потенциалы вершин треугольника для третьих гармоник относительно друг друга равны нулю. Как добиваются синусоидальности э. д. с. вторичных обмоток трансформатораВ начале этого параграфа подчеркивалось, что средством передачи энергии от первичной ко вторичной обмотке трансформатора является магнитный поток. Этот поток должен быть синусоидален, иначе индуктируемые им в обмотках трансформатора э. д. с. будут несинусоидальны. Несинусоидальная э. д. с. первичной обмотки не сможет уравновесить приложенное к первичной обмотке синусоидальное напряжение. Несинусоидальность э. д. с. вторичной обмотки может привести к ряду нежелательных явлений в сети; о некоторых из них рассказано выше. Магнитный поток в трансформаторе образуется намагничивающим током первичной обмотки, который создается разностью между приложенным напряжением и э. д. с. первичной обмотки. Но чтобы магнитный поток был синусоидален, необходимо, чтобы намагничивающий ток был несинусоидален: он должен содержать преимущественно третью и пятую гармоники 2. Они должны вводиться в трансформатор извне либо должны образоваться в самом трансформаторе. Токи третьей гармоники вводятся в первичную обмотку трансформатора извне, если она соединена в звезду и ее нейтраль соединена с нейтралью генератора. Нейтральный провод и открывает путь токам третьей гармоники. Если же первичная обмотка трансформатора соединена в звезду, но нейтрального провода нет, то для токов третьей гармоники нейтраль трансформатора непроходима. Значит, в намагничивающем токе не будет третьей гармоники, магнитный поток не может быть синусоидальным и в фазных э. д. с. (напряжениях) появится третья гармоника. Как же ее избежать? Для этого одну из обмоток трансформатора достаточно соединить в треугольник и создать таким образом в самом трансформаторе недостающий ток. Действительно, третьи гармоники всех фазных э. д. с. имеют одно направление. Поэтому они дадут в замкнутом контуре треугольника ток третьей гармоники, а созданный им поток тоже третьей гармоники восполнит основной поток, обеспечивая, таким образом, синусоидальность э. д. с. трансформатора. По этой причине у мощных трансформаторов хотя бы одну обмотку соединяют в треугольник. Как видно из приведенных выше сведений, токи третьей гармоники иногда вредны, но в некоторых случаях необходимы. Это подтверждается и в статье "Разомкнутый треугольник. Открытый треугольник", где при рассмотрении соединений трансформаторов, питающих выпрямители, рассказано об утроителе частоты – аппарате, единственное назначение которого – создавать токи третьей гармоники. В том, что какое-либо явление не может быть только полезным или только вредным, можно убедиться на многих примерах. В механике, скажем, трение в подшипнике колеса – безусловно вредно, но трение обода колеса о дорогу не только полезно, но совершенно необходимо, иначе колесо не будет катиться. Другой пример из электротехники. В старых учебниках вихревые токи называют паразитными на том основании, что они разогревают массивные детали электрических машин и аппаратов, создают потери энергии. Все это так, и на ослабление вихревых токов там, где они вредны, расходуют немалые средства (например, магнитопровод трансформатора набирают из отдельных взаимно изолируемых листов стали, а к стали дают присадки, повышающие ее электрическое сопротивление ценой ухудшения механических свойств – электротехническая сталь хрупка и ее трудно обрабатывать). Но невозможно переоценить изумительные применения вихревых токов. Если бы вихревых токов не существовало, мы были бы лишены: короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, индукционных реле и счетчиков, индукционного нагрева в металлургии, простейших электромагнитных реле времени, являющихся основой большинства автоматических телефонных станций и многих устройств управления электроприводом. Трансформирование трехфазного тока тремя однофазными трансформаторами и одним трехфазным стержневым трансформаторомНа рисунке 9, б, в статье "Схема соединения "Звезда", было показано соединение в звезду трех однофазных трансформаторов, на рисунке 9, в, в этой же статье – трехфазный стержневой трансформатор. Нулевого провода нет. В этих условиях магнитный поток несинусоидален. Покажем, что трехфазная группа однофазных трансформаторов и стержневой трехфазный трансформатор проявляют себя по-разному. Дело в том, что у однофазных трансформаторов каждая фаза имеет свой, ни с чем не связанный магнитопровод, и через него легко замыкается добавочный магнитный поток третьей гармоники. Поэтому он велик и, следовательно, велико искажение фазных э. д. с. У стержневого трехфазного трансформатора магнитопроводы всех фаз связаны, а ярмо для магнитных потоков третьих гармоник непроходимо. Они вынуждены замыкаться через масло, воздух и кожух трансформатора (смотрите рисунок 2) и поэтому значительно ослаблены. А раз магнитные потоки третьей гармоники малы, то невелико искажение формы фазных э. д. с. Даже сообщенные краткие сведения показывают, насколько важно учитывать не только электрические соединения обмоток, но и взаимную связь между магнитными цепями. Примеры взаимного влияния магнитных цепей разных трансформаторовРаботают параллельно два трансформатора. Один соединен в звезду – треугольник, соединение другого – звезда– звезда. Нейтрали первичных звезд соединены. В этом случае треугольник одного трансформатора дает токи третьей гармоники для обоих трансформаторов, но может ими перегрузиться. В другом примере параллельно работают трехфазная группа однофазных трансформаторов и трехфазный стержневой трансформатор. Нейтрали обоих трансформаторов соединены. У группы однофазных трансформаторов э. д. с. третьих гармоник значительно выше, чем у трехфазного трансформатора. Под действием разности э. д. с. третьих гармоник трансформаторов в них возникает ток третьей гармоники. Он снижает э. д. с. третьей гармоники однофазных трансформаторов, но повышает их в стержневом трансформаторе. Влияние нагрузки трансформатора на его напряжениеНа рисунке 3, а – в показаны три однофазных трансформатора, отличающихся следующим. В трансформаторе на рисунке 3, а первичная I и вторичная II обмотки размещены на разных стержнях, на рисунке 3, б – на одном стержне. На рисунке 3, в каждая обмотка состоит из двух половин, причем по половине первичной и вторичной обмоток находится на одном стержне; средние точки обмоток имеют выводы.
Рисунок 3. Влияние несимметричной нагрузки на работу трансформатора. Точками обозначены начала обмоток. Расположение первичной и вторичной обмоток на одном стержне лучше, так как магнитная связь между обмотками более совершенна. Если же первичная и вторичная обмотки размещены на разных стержнях (рисунок 3, а), то не весь магнитный поток, созданный намагничивающим током первичной обмотки, пронизывает витки вторичной обмотки. Часть его рассеивается. Пока трансформатор не нагружен, в его магнитной цепи действует только одна магнитодвижущая сила (м. д. с.) – первичной обмотки. Когда же трансформатор нагружают, в той же магнитной цепи возникает еще одна м. д. с.– вторичной обмотки. Согласно закону Ленца она размагничивает трансформатор. Поэтому магнитный поток несколько уменьшается, а это значит, что уменьшается э. д. с. первичной обмотки. Но приложенное первичное напряжение остается тем же (это напряжение сети). Значит разность между ним и первичной э.д. с. возрастает и, следовательно, в первичной обмотке увеличивается ток. Увеличение тока строго определенное: оно компенсирует размагничивающее действие вторичной обмотки, благодаря чему и при холостой работе и под нагрузкой в магнитной цепи трансформатора поддерживается равновесие. Рассмотрим этот вопрос немного подробнее, начиная с простого примера, то есть оценим влияние нагрузки на работу однофазного трансформатора, обмотки которого соединены, как показано на рисунке 3, в. Трансформатор с вторичной стороны присоединен к трехпроводной сети, например 2 × 220 В (между проводами aN и xN по 220 В). У первичной сети нейтраль выведена и может быть присоединена к средней точке трансформатора. Первый случай. Между aN и xN включены одинаковые нагрузки (рисунок 3, г). В нейтральном проводе тока нет, м. д. с. в обоих стержнях одинаковы, вторичные напряжения обеих половин обмотки равны 3. Это, самый благоприятный режим. Второй случай (рисунок 3, д). Обе половины первичной обмотки соединены последовательно, а их средняя точка присоединена к нейтральному проводу первичной сети. Нагружена только одна (левая) половина вторичной обмотки. Благодаря тому, что средняя точка первичной обмотки присоединена к нейтральному проводу, ток нагрузки проходит по первичной и вторичной обмоткам, находящимся на одном стержне: магнитное равновесие практически не нарушается 4. Третий случай (рисунок 3, е). Обе половины первичной обмотки соединены параллельно 5. Нагружена одна половина вторичной обмотки. Магнитное равновесие не нарушается по тем же причинам, что и во втором случае. Четвертый случай (рисунок 3, ж). Обе половины первичной обмотки соединены последовательно, но их средняя точка к сети не присоединена. Нагружена одна половина вторичной обмотки. Первичный ток проходит через обе половины обмотки, и созданная им м. д. с. поровну распределена между стержнями. Но у вторичной обмотки нагружена только одна половина и, следовательно, размагничивается только один стержень: магнитное равновесие нарушено. Последствия этого нарушения сводятся к возникновению в обоих стержнях магнитного потока рассеяния, направленного в одну сторону. Он замыкается через воздух и кожух трансформатора и нагревает кожух. Кроме того, магнитный поток рассеяния значительно увеличивает индуктивное сопротивление магнитно неуравновешенной половины первичной обмотки. Это приводит к неравномерному распределению первичного напряжения между обеими половинами первичной обмотки 6. Но если первичные напряжения значительно отличаются, то и вторичные напряжения не могут быть равными, и это плохо. Особенности стержневых трансформаторовРассмотрим условия холостой работы трехфазного стержневого трансформатора. Магнитное сопротивление средней фазы меньше, чем сопротивления крайних фаз, так как магнитная цепь средней фазы короче. Неравенство магнитных сопротивлений приводит к неравенству намагничивающих токов: в средней фазе намагничивающий ток меньше. С другой стороны, при симметричном напряжении, приложенном к первичной обмотке, геометрическая сумма намагничивающих токов должна быть равна нулю. Иными словами, нужно, чтобы намагничивающие токи были либо равны, либо несимметричны (то есть углы между ними должны отличаться от 120°). Допустим, что первичная обмотка соединена в звезду и ее нейтраль соединена с нейтралью генератора. Тогда через нейтральный провод будет восполнен "недостающий" ток Iн (рисунок 4, а). Если у первичной обмотки нейтрального провода нет, то "недостающий" ток распределится поровну между всеми тремя фазами (рисунок 4, б), а так как это ток однофазный, он создаст во всех стержнях магнитные потоки одного направления. Они замкнутся через воздух и кожух трансформатора. Следствием добавочного магнитного потока явится смещение нейтрали фазных э. д. с. из точки 0 в точку 0′ (рисунок 4, в). Этот рисунок построен следующим образом. Слева на нем изображены диаграмма токов и положение нейтрали 0 в предположении равенства магнитных сопротивлений магнитных цепей. Диаграмма в центре отражает реальное положение, при котором к току каждой фазы прибавляется ⅓ Iн; нейтраль при этом находится в точке 0′. И, наконец, правая диаграмма получена в результате совмещения левой и средней диаграмм, и на ней отчетливо видно смещение нейтрали.
Рисунок 4. Магнитное равновесие трехфазного стержневого трансформатора.а – ток Iн поступает в первичную обмотку трансформатора через нейтральный провод 0; б – при отсутствии у первичной обмотки нейтрального провода ток Iн распределяется между фазами; в – смещение нейтрали из точки 0 в точку 0′; г – однофазный ток как бы охватывает все три стержня при соединении в треугольник. Если у трансформатора есть обмотка, соединенная в треугольник, то она представляет собой как бы замкнутый контур, который окружает все три стержня трансформатора (рисунок 4, г). В этом контуре под действием однофазного тока индуктируется ток, в значительной степени ослабляющий вредные действия добавочного потока. Под нагрузкой, если она симметрична, в обмотках всех фаз проходят одинаковые токи, падения напряжения в фазах каждой обмотки равны друг другу и э. д. с. обмоток уменьшаются на одну и ту же величину. Иными словами, если система была симметрична при холостой работе, она останется симметричной и при нагрузке. При несимметричной нагрузке токи в фазах обмотки не равны и поэтому падения напряжения неодинаковы. В результате линейное напряжение между одними зажимами понижается, между другими зажимами может даже повыситься. При несимметричной нагрузке изменения вторичного напряжения зависят от способа соединения обмоток. В общих чертах дело сводится к следующему. Вторичные обмотки трансформаторов, питающих трехфазную (электродвигатели) и однофазную (освещение, бытовые приборы) нагрузки, обычно соединяют в звезду, чтобы получить два напряжения, например 220 В для однофазных нагрузок и 380 В для электродвигателей. Первичные обмотки трансформаторов можно соединять тремя способами: в звезду с выведенной нейтралью, которая присоединяется к нейтрали источника тока (рисунок 4, а), в треугольник, в звезду с изолированной нейтралью (рисунок 4, б). Соединение по рисунку 4, а наиболее благоприятно: м. д. с. первичной и вторичной обмоток сбалансированы (смотрите пояснения к рисунку 3, д, где рассмотрен аналогичный случай для однофазного трансформатора). Но оно практически неприемлемо, так как требует либо питания первичной обмотки по четырем проводам (вместо трех проводов), либо заземления нейтрали. Однако в сетях 6, 10 и 35 кВ нейтраль не заземляют по причинам, которые здесь не рассматриваются. При соединении первичных обмоток в треугольник однофазная нагрузка незначительно искажает напряжение (смотрите пояснения к рисунку 4, г). Но соединение первичной обмотки в треугольник дороже, нежели соединение в звезду (при соединении в треугольник каждая фаза должна рассчитываться на линейное напряжение, то есть иметь в 1,73 раза больше витков). Наиболее распространено соединение первичных обмоток в звезду с изолированной нейтралью (рисунок 4, б), невзирая на то, что при большой однофазной нагрузке нейтраль сильней смещается и нарушается симметрия напряжений, но такие трансформаторы наиболее дешевы. Если же однофазная нагрузка настолько велика, что смещение нейтрали достигает недопустимой величины, то, идя на некоторое удорожание трансформатора, вторичные обмотки соединяют в зигзаг. При соединении в зигзаг требуется на 15% больше витков. Кроме того, внутренние соединения трансформатора значительно сложнее. 1 Обмотки нагреваются током из-за того, что они имеют активное сопротивление. Магнитопровод нагревается как вихревыми токами, возбуждаемыми в нем переменным магнитным потоком, так и вследствие преодоления задерживающей (коэрцитивной) силы при перемагничивании.Перегрев изоляции – явление опасное. При допустимых температурах изоляция имеет высокое сопротивление и эластична. Но даже небольшой перегрев резко снижает качество изоляции: она становится хрупкой. Наконец, при температуре, в 1,5 раза превышающей допустимую, изоляция обугливается, то есть становится электропроводной.2 Это, казалось бы, странное явление (магнитный поток синусоидален, а создающий его ток несинусоидален) объясняется тем, что магнитопровод трансформатора немного насыщается и, кроме того, в каждый период перемагничивается. При насыщении индуктивность зависит от тока и между током и магнитным потоком нарушается прямая пропорциональность.3 Вторичные напряжения ниже соответствующих э. д. с. на величину падения напряжения.4 В одном стержне м. д. с. нагрузки взаимно компенсируются, а в обмотках, расположенных на другом стержне, просто нет нагрузки.5 Половины первичных обмоток в данном случае рассчитаны на двойное напряжение, так как каждая из них присоединена между проводами A и X, а не A0, X0, как на рис. 3, г, д, ж.6 Ток в обеих половинах первичной обмотки одинаков, так как они соединены последовательно, а индуктивные сопротивления оказались различными. Значит на магнитно неуравновешенную половину обмотки (ее индуктивное сопротивление выше) приходится большая часть первичного напряжения. Источник: Каминский Е. А., "Звезда, треугольник, зигзаг" – 4-е издание, переработанное – Москва: Энергия, 1977 – 104с. www.electromechanics.ru Трансформаторы. Передача электрической энергии | ЭТО ФИЗИКАСреди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная (рис. 2.5.1).
Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e1 (t), поэтому в ней возникает ток J1 (t), создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Φ, который практически без рассеивания циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность. Ситуация резко изменяется, когда в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки Rн, и в ней возникает переменный ток J2 (t). Теперь полный магнитный поток Φ в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток Φ2, создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током J2, направлен навстречу потоку Φ1, создаваемому током J1 в первичной обмотке: Φ = Φ1 – Φ2. Отсюда следует, что токи J1 и J2 изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180°. Другой важный вывод состоит в том, что ток J1 в первичной обмотке в режиме нагрузки значительно больше тока холостого хода. Это следует из того, что полный магнитный поток Φ в сердечнике в режиме нагрузки должен быть таким же, как и в режиме холостого хода, так как напряжение u1 на первичной обмотке в обоих случаях одно и то же. Это напряжение равно ЭДС источника e1 переменного тока. Так как магнитные потоки, пронизывающие обмотки, пропорциональны числу n1 и n2 витков в них, можно записать для первичной обмотки:
для вторичной обмотки:
Следовательно,
Знак минус означает, что напряжения u1 и u2 находятся в противофазе, также как и токи J1 и J2 в обмотках. Поэтому фазовый сдвиг φ1 между напряжением u1 и током J1 в первичной обмотке равен фазовому сдвигу φ2 между напряжением u2 и током J2 во вторичной обмотке. Если нагрузкой вторичной обмотки является активное сопротивление Rн, то φ1 = φ2 = 0. Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:
Коэффициент K = n2 / n1 есть коэффициент трансформации. При K > 1 трансформатор называется повышающим, при K < 1 – понижающим. Приведенные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечники транформатора изготавливают обычно из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Существует еще один механизм потерь энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов возникают потери электромагнитной энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса. У хороших современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным, не превышает 1–2 %, поэтому к ним приближенно применима теория идеального трансформатора. Если пренебречь потерями энергии, то мощность P1, потребляемая идеальным трансформатором от источника переменного тока, равна мощности P2, передаваемой нагрузке.
Отсюда следует, что
то есть токи в обмотках обратно пропорциональны числу витков. Принимая во внимание, что U2 = RнI2, можно получить следующее соотношение
Отношение Rэкв = U1 / I1 можно рассматривать как эквивалентное активное сопротивление первичной цепи, когда вторичная обмотка нагружена на сопротивление Rн. Таким образом, трансформатор «трансформирует» не только напряжения и токи, но и сопротивления. В современной технике нашли широкое применение трансформаторы различных конструкций. В радиотехнических устройствах используются небольшие, маломощные трансформаторы, имеющие обычно несколько обмоток (понижающих или повышающих напряжение источника переменного тока). В электротехнике часто применяются так называемые трехфазные трансформаторы, предназначенные для одновременного повышения или понижения трех напряжений, сдвинутых по фазе относительно друг друга на углы 120°. Мощные трехфазные трансформаторы используются в линиях передач электроэнергии на большие расстояния. Передача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой. Для уменьшения потерь на нагревание проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток частотой 50 Гц. Чем выше напряжение на линии, тем меньше потери энергии при передаче. Самое высокое напряжение используемое в России – 1000 кВ, в мире на сегодняшний день самое высокое напряжение 1200 кВ. На рис. 2.5.2 представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии. Следует отметить, что при повышении напряжения в линиях передач увеличиваются утечки энергии через воздух. В сырую погоду вблизи проводов линии может возникнуть так называемый коронный разряд, который можно обнаружить по характерному потрескиванию. Коэффициент полезного действия линий передач не превышает 90 %.
www.its-physics.org Идеальный трансформатор | энергетикИдеальный трансформатор – это мнимый трансформатор, во время работы которого не происходит потерь в сердечнике, потерь в меди и т.п. Эффективность такого трансформатора равна 100%. Идеальным трансформатором называют трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу её витков. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи, т.е. поступающая энергия ровна преобразованной энергии. Электрические соотношения в идеальном трансформаторе Три основных признака идеального трансформатора:
Отметим, что при соблюдении последнего условия электромагнитная связь между первичной и вторичной цепями является полной, и коэффициент электромагнитной связи С обмоток трансформатора равен единице. Здесь L11 и L22 – собственные индуктивности, а M – взаимная индуктивность обмоток. 1. C = M / (√L11 ×L22) Э. Д. С. первичной и вторичной (е1 и е2) обмоток такого трансформатора при синусоидальных переменных потоках соответственно равен единице. Здесь L11 и L22 – собственные индуктивности, а M – взаимная индуктивность обмоток. 2.
где Фс – амплитуда магнитного потока трансформатора Действующие значения этих Э.Д.С. (Е1 и Е2): 3. E1 = ω w1Фс / √2 = πƒ√2w1Фс= 4,44ƒ w Фс ; E2= ω w2Фс / √2 = πƒ√2w2Фс= 4,44ƒ w2Фс . Так как в идеальном трансформаторе падение напряжения отсутствуют, то
На основании выражений (3) и (4): 5. U1/U2 = E1/E2 = w1/w2 или 6. U1/U2 = k; U2 = U1/k , где k = w1/w2 называется коэффициентом трансформации трансформатора. Поскольку в идеальном трансформаторе потери активной и реактивной энергии отсутствуют, то U1 × I1 = U2 × I2 , откуда
или
Таким образом, в идеальном трансформаторе первичное и вторичное напряжение прямо пропорциональны, а первичный и вторичный токи обратно пропорциональны числам витков соответствующих обмоток. В реальном трансформаторе полученные соотношения несколько нарушаются, однако в трансформаторах с ферромагнитными магнитопроводами эти отклонения при нагрузках, близких к номинальным, относительно малы. Режим холостого хода в идеальном трансформаторе
 Рис. 3 Векторная диаграмма (рис. 3) в этом режиме строится аналогично векторной диаграмме для режима холостого хода. Угол Особенность этого режима состоит в том, что ЭДС
 Рис. 4 Поэтому в режиме короткого замыкания магнитопровод трансформатора оказывается ненасыщенным.Действующее значение тока короткого замыкания в соответствии с рис. 4: модуль комплексного сопротивления короткого замыкания трансформатора. При Напряжение
Величина оказывает существенное влияние на свойства трансформатора в рабочих и аварийных режимах. Поэтому является паспортной величиной наряду с номинальными данными. Перейти далее режим нагрузки трансформатора energetik.com.ru |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
определяется параметрами вторичной обмотки:
значительно отличается от напряжения 
из-за больших токов короткого замыкания. Учитывая, что 
, током 
можно пренебречь. Тогда схема замещения может быть упрощена (рис. 4).Из схемы замещения получаем:
Если принять, что 
, то действующее значение ЭДС 
; где 
ток короткого замыкания может превосходить номинальное значение в 10-50 раз. Поэтому в условиях эксплуатации режим короткого замыкания является аварийным. Однако этот режим часто проводится при пониженном напряжении для определения параметров трансформатора.
:
Отсюда следует, что напряжение короткого замыкания представляет собой падение напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора при номинальном токе и поэтому является важной характеристикой трансформатора. Если совместить вещественную ось с вектором тока 
, то комплексное значение можно представить как 
, где 
, 
— активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания. Обычно модуль
выражают в относительных единицах:
либо в процентах: 
