Однофазный трансформатор. Принципы работы. Основные параметры. Схема однофазного трансформатораK00K20ER1. Однофазный трансформатор: назначение и область применения. 2. Однофазный трансформатор: устройство, принцип действия, коэффициент трансформации. 3. Уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора. 1. Однофазный трансформатор: назначение и область применения. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения той же частоты. Назначение трансформатора отражено в его определении. Трансформаторы находят очень широкое применение в электрических сетях, являясь неотъемлемой частью энергосистемы. Передача электрической энергии по линиям электропередач осуществляется при высоких напряжениях - до 500 кВ и выше (до 1150 кВ), т.к. при этом для передачи той же мощности требуется меньший ток, а это ведет к снижению потерь в проводах. Поэтому на подстанциях с помощью трансформаторов на передающей стороне повышают напряжение, а на приемной снижают. Такие трансформаторы называются силовыми. Кроме того существуют измерительные трансформаторы, сварочные и др. В электронных устройствах трансформаторы часто используют для гальванического разделения цепей. Трансформаторы также относятся к электрическим машинам, хотя в прямом смысле они не относятся (не имеют движущихся частей). Однако основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс трансформатора, применимы и к электрическим машинам. 2. Однофазный трансформатор: устройство, принцип действия, коэффициент трансформации. Рассмотрим устройство трансформатора:
На замкнутом магнитопроводе, выполненном из магнитомягкой листовой стали, расположены две (или более) катушки (обмотки). К одной из обмоток подводится электрическая энергия от источника переменного тока. Эта обмотка называется первичной. От другой, вторичной, обмотки с числом витков W2 энергия отводится к приемнику. Все величины, относящиеся к этим обмоткам (токи, напряжения, мощности и т.п.) называются соответственно первичными или вторичными. Под действием переменного напряжения U1, подведенного к первичной обмотке, в ней возникает ток I1, а в сердечнике возбуждается соответственно изменяющийся магнитный поток Ф. Этот поток пересекает витки обеих обмоток трансформатора и индуктирует в них ЭДС: ; В каждый момент времени отношение этих ЭДС пропорционально отношению количества витков обмоток:
Если цепь вторичной обмотки замкнута, то под действием ЭДС Е2 возникает ток I2. При синусоидальном изменении напряжения питания U1 с частотой f поток в магнитопроводе Ф оказывается практически синусоидальным. Действующие значения ЭДС в обмотках можем найти по формуле: E1 = 4,44 W1 f Фm; E2 = 4,44 W2 f Фm. Отношение этих ЭДС
принято называть коэффициентом трансформации. Приближенно можно принять, что ЭДС обмоток равны напряжениям на их зажимах, т.е.
Полученное равенство характеризует основное назначение трансформатора - преобразование одного напряжения в другое, большее или меньшее. Цепи высшего и низшего напряжения электрически изолированы друг от друга и связаны лишь магнитным потоком, замыкающимся в сердечнике трансформатора. Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается весьма малыми потерями энергии: величина КПД при номинальной нагрузке изменяется в пределах 0,96 - 0,996 в зависимости от мощности трансформатора. Этим объясняется исключительно большое распространение трансформаторов в современной технике. Однофазный трансформатор с ферромагнитным сердечником был предложен выдающимся русским изобретателем П.Н.Яблочковым в 1876 г. 3. Уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора. Представим трансформатор в упрощенном виде. Пренебрежем потоками рассеяния и активным сопротивлением обмоток: Фs1 = 0; Фs2 = 0; R1 = 0; R2 = 0. Такой трансформатор называется идеальным трансформатором. Для идеального трансформатора по второму закону Кирхгофа можно записать уравнения электрического состояния обмоток: ; Согласно закону электромагнитной индукции можно записать:
где - потокосцепление, = Li. Возьмем отношение:
Это уравнение отражает важнейшее свойство идеализированного трансформатора преобразовывать напряжение без искажения формы. Так как на W1 подается переменное напряжение, то
Выразим "е" через "Ф":
так как Получили амплитудное значение ЭДС: Найдем действующее значение ЭДС: По аналогии для вторичной обмотки: Эти уравнения для идеализированного трансформатора используются при анализе электрических процессов в трансформаторе. Теперь учтем наличие потоков рассеяния Фs1 и Фs2 и активное сопротивление обмоток R1 и R2. Запишем с учетом этих величин уравнение по второму закону Кирхгофа для первичной и вторичной обмоток трансформа- тора:
Параметр представляет собой падение напряжения на индуктивности и в комплексной форме записывается как j X1 I1. Перейдем к комплексным значениям параметров: U1 = - E1 + j X1 I1 + R1 I1 = - E1 + I1 (R1 + j X1) = - E1 + I1 Z1 Получили уравнение электрического состояния первичной обмотки трансформатора в комплексной форме. Для вторичной обмотки
Получили уравнение электрического состояния для вторичной обмотки трансформатора. Трансформатор - электромагнитное устройство. Для него справедлив закон полного тока:
где Н - напряженность магнитного поля, lср - длина средней магнитной линии сердечника. Рассмотрим 2 режима работы: холостой ход и режим номинальной нагрузки. Для холостого хода: Для номинальной нагрузки: Правые части уравнений неизменны, поэтому приравниваем между собой левые части:
Поделим каждый член на W1 и частично преобразуем , где I10 - ток холостого хода или намагничивающий ток, - приведенный ток вторичной обмотки. Знак " - " в уравнении отражает размагничивающее действие тока I2. Таким образом, ток первичной обмотки можно представить как сумму двух токов: приведенный ток вторичной обмотки I2| плюс намагничивающий ток I10. Еслт сердечник идеален, то I10 = 0 и 0 = I1 W1 + I2 W2 Таким образом, трансформация тока осуществляется без искажения формы: studfiles.net Схема включения однофазного трансформатора напряженияПоиск ЛекцийРисунок 2.3. Векторная диаграмма трансформатора тока с активно-индуктивной вторичной нагрузкой  ; а ЭДС E2 опережает поток Ф0 – на угол 90о.
Ток намагничивания İ0, приведенный также к вторичной обмотке,опережает поток на угол потерь в стали Величина вторичного тока зависит от кратности первичного тока С увеличением  , т.е. с небольшим  . При размыкании вторичной обмотки İ1 = İ0, поток  резко возрастает и мгновенные значения ЭДС во вторичной обмотке  могут оказаться недопустимо большими, что может вызвать пробой изоляции обмотки и выход из строя ИТТ. Поэтому при протекании тока по первичной обмотке ИТТ вторичную обмотку нельзя размыкать. При необходимости замены измерительного прибора или реле вторичная обмотка ИТТ предварительно накоротко замыкается (или шунтируется обмотка реле, прибора).При выполнении релейной защиты схемы цепей тока строятся так, чтобы была обеспечена необходимая её чувствительность при использовании наименьшего количества оборудования. По числу фаз, в которые включены используемые в схеме ИТТ, различают: трёхфазные схемы (ИТТ включены в три фазы) и двухфазные (ИТТ включены в две фазы), которые могут использоваться лишь в защитах от многофазных КЗ. Основные схемы соединения обмоток ИТТ приведены на рис. 2.4 (здесь ИОi – измерительные органы - токовые обмотки реле).
Рисунок 2.4. Схемы соединения обмоток ИТТ(а – схема полной звезды, б – схема соединения с полным треугольником, в - схема соединения ИТТ в фильтр токов нулевой последовательности) Схема полной звезды – трёхфазная, трёхрелейная (рис. 2.4, а) – может быть использована в защитах от всех видов многофазных и однофазных замыканий. Соединение ИТТ полным треугольником – трёхфазная, трёхрелейная - (рис. 2.4, б) – может быть использована в защитах от всех видов многофазных и однофазных замыканий. Соединение ИТТ в фильтр токов нулевой последовательности (рис. 2.4, в). ИТТ устанавливаются в трёх фазах, одноимённые зажимы соединяются параллельно.
Измерительные трансформаторы напряжения ИТН выполняют в виде двухобмоточного понижающего трансформатора. Схема подключения однофазного трансформатора напряжения показана на рис. Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку заземляют. Условное обозначение трансформатора напряжения такое же, как двухобмоточного трансформатора.
Схема включения однофазного трансформатора напряжения Особенностью работы ИТН является режим близкий к холостому ходу его вторичной цепи. Первичная обмотка ИТН с числом витков  протекает намагничивающий ток  , создающий в магнитопроводе магнитный поток . Магнитный поток, в свою очередь, наводит в первичной и вторичной обмотках ЭДС с действующими значениями соответственно
Откуда получаем следующее отношение:
где  , а ток в первичной обмотке равен току намагничивания  . При этом  и напряжение  незначительно отличается от ЭДС  . Следовательно,
Работа ИТН с нагрузкой Эти токи создают падение напряжения
и угловую погрешность, которая определяется углом d между векторами напряжений U1 и U′2. На рис. 2.6 показана маркировка зажимов ИТН (а), его Т-образная схема замещения (б).
Рисунок 2.6. Маркировка зажимов ИТН (а) и его Т-образная схема замещения (б) Построим качественную векторную диаграмму трансформатора (рис.2.7). Построение начинают с векторов напряжения и тока вторичной цепи, соответственно, Ú2 и İ2. Обычно трансформаторы в электроэнергетических установках имеют активно-индуктивную нагрузку; в этом случае вектор тока İ2 отстаёт от вектора напряжения Ú2 на угол
Рисунок 2.7. Векторная диаграмма линейного трансформатора Вектор падения напряжения от вторичного тока на активном сопротивлении İ2R2 совпадает по фазе с вектором тока, а на индуктивном сопротивлении рассеяния İ0 = İ1 - İ2 Падение напряжения на ветви намагничивания это ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке Падение напряжения от первичного тока на активном сопротивлении İ1R1 совпадает по фазе с вектором тока, а на индуктивном сопротивлении рассеяния В зависимости от значения допускаемых погрешностей ИТН подразделяют на три класса точности: 0,5; 1 и 3. Обозначение класса соответствует значению относительной погрешности при номинальном напряжении Измерительные органы, в частности реле напряжения, включаются на фазные и междуфазные напряжения. Для этого используются однофазные и трёхфазные ИТН. Основные схемы соединения обмоток однофазного трёхобмоточного ИТН приведены на рис. 2.8.
Рисунок 2.8. Типовая схема соединения обмоток однофазного трёхобмоточного ИТН Первичная обмотка соединена в звезду с заземлённой нейтралью. Вторичны обмотки соединены в звезду (верхняя) и разомкнутый треугольник (нижняя). Для измерения фазных и междуфазных напряжений первичная обмотка соединена в звезду с заземлением нейтрали, которое называется рабочим заземлением. Для защиты цепей ИТН от замыканий используются предохранители ( в цепях ИТТ они недопустимы). Заземление вторичных обмоток называется защитным. С повышением напряжения в электроустановках значительно возрастает стоимость изоляции ИТН. Поэтому в установках 500 кВ и выше в качестве ИТН применяются ёмкостные делители напряжения с использованием конденсаторов высокочастотной связи.
poisk-ru.ru Однофазный трансформатор. Принципы работы. Основные параметрыУстройство, состоящее из двух или нескольких индуктивно связанных катушек, называется трансформатором. Трансформатор - это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Наибольшее распространение получили однофазные и трехфазные трансформаторы. Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Простейший однофазный трансформатор состоит из двух катушек, расположенных на ферромагнитном сердечнике. (рис. 3.3.1)
рис. 3.3.1 Обмотка, к которой подключен источник энергии, называется первичной, а обмотка, к которой подключается нагрузка, называется вторичной. При подключении первичной катушки к источнику переменного тока по ней потечет ток I1, который создает магнитный поток ф. Часть этого потока пересекает витки вторичной катушки, индуцируя в ней ЭДС взаимной индукции. Так как вторичная катушка замкнута на нагрузку, то по вторичной цепи потечет ток I2. Таким образом, энергия от источника за счет магнитной связи между катушками передается в нагрузку. Основными параметрами трансформатора являются: коэффициент трансформации, коэффициент полезного действия и мощность потерь. Коэффициентом трансформации называется отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки.
Если U2 - напряжение на первичной обмотке; U2 - напряжение на вторичной обмотке; W1 – число витков первичной катушки; W2 - число витков вторичной катушки
Коэффициент полезного действия (КПД) называется отношение полезной мощности, выделяемой в нагрузке, к затраченной мощности, потребляемой от источника, выраженное в процентах.
Р1 – полезная мощность, выделяемая в нагрузке; Р2 – затраченная мощность, потребляемая от источника;
Рсм = Рчистер + Рвихр.токи Рм1 – мощность тепловых потерь в первичной катушке; Рм2 - мощность потерь во вторичной катушке; Рсм – мощность потерь в сердечнике, обусловленная потерями на гистерезис и вихревые токи. Общие потери – это разность мощностей источника и потребителя энергии.
При расчете трансформаторов и аппаратуры с их использованием применяют схему замещения приведенного «трансформатора», в которой элементы электрической схемы учитывают физические процессы, происходящие в реальном трансформаторе. Вопросы для самопроверки 1. Что называется трансформатором? 2. На чем основан принцип действия трансформатора? 3. Приведите схему однофазного трансформатора? 4. Что называется коэффициентом трансформации? 5. Какой трансформатор называется понижающим, а какой – повышающим? 6. Как определяется КПД трансформатора? 7. Из чего складываются потери трансформатора?
Тема №2: Электрические машины [Яцкевич] Устройство и принцип действия машин постоянного тока. Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: подвижной и неподвижной. Неподвижная часть — индуктор представляет собой электромагнит, имеющий одну или несколько пар полюсов. Он состоит из станины, полюсов и обмоток возбуждения, расположенных на полюсах. Под действием постоянного тока, протекающего по обмоткам возбуждения, полюса намагничиваются. Таким образом, создается магнитный поток машины. Вращающаяся часть машины - якорь состоит из вала, сердечника и обмотки якоря, соединенной с коллектором. Якорная обмотка через коллекторные пластины и прилегающие к ним контактные щетки соединяется с внешней электрической цепью. Когда якорь генератора вращается каким-либо двигателем, в обмотке якоря, пересекающей магнитный поток полюсов, индуктируется э.д.с. Начальный ток возбуждения в параллельной обмотке возникает под действием небольшой э.д.с., которая индуктируется за счет остаточного магнитного потока, после чего происходит «самовозбуждение» генератора.
Похожие статьи:poznayka.org Какие бывают трансформаторыТакая тема как трансформаторы, — это тема довольно таки очень серьезная, если решение технических вопросов по трансформаторам касается:
Допустим, человек получил техническое образование и его работа непосредственно связана с электрикой. После сдачи экзаменов по ТБ, специалист приступает к выполнению своих обязанностей и совершает свои действия с устранением неполадок в понижающем трансформаторе. Выполнение таких профессиональных обязанностей требуют от нас:
и опыта в работе. Если специалист не в полном объеме обладает своими профессиональными качествами и в его действиях совершается ошибка, то такая ошибка может стать последней и может являться причиной несчастного случая. Принцип действия однофазного трансформатораГде мы можем наблюдать в быту применение однофазных трансформаторов? — Да практически везде, а именно, допустим в:
и далее.
Нужны ли нам знания о трансформаторах? — Конечно же, они нам необходимы такие знания. Как допустим мы можем устранить неисправность в подзарядном устройстве для аккумуляторов авто, не обладая знаниями в электротехнике? — Такой вариант невозможен. То-есть, выполняя ремонт какого-либо электроприбора, электрическая схема которого может иметь дополнительно — однофазный трансформатор, мы как-бы вынуждены применить свои знания для устранения неисправности. Итак, трансформатор как нам известно — это статический электромагнитный аппарат, который может иметь две или более индуктивно связанные обмотки. Обмотку, подключенную к внешнему источнику энергии — мы называем первичной обмоткой. Ко вторичной обмотке подключается нагрузка, которая создает замкнутую цепь. Если вторичная обмотка располагает большим количеством витков, то такая обмотка будет считаться высшего напряжения (ВН) и наоборот. Чтобы увеличить магнитную связь между обмотками, обмотки располагают \наматывают\ на сердечник из ферромагнитного материала, состоящего из набора тонкой листовой электротехнической стали. Разберемся конкретно, почему именно называют трансформатор — статическим электромагнитным аппаратом? — такое название происходит от принципа действия, работы трансформатора. Принцип работы трансформатора нам всем хорошо известен и состоит в том, что если к первичной обмотке подвести переменное напряжение, то вследствии протекания тока в первичной обмотке — ток создает магнитный поток в сердечнике. Возникший, магнитный поток в сердечнике создает в свою очередь электродвижущую силу самоиндукции в первичной обмотке и электродвижущую силу для вторичной обмотки. Сам магнитный поток трансформатора состоит из основного магнитного потока, который циркулирует, замыкается в сердечнике трансформатора, а также, потоков рассеяния первичной и вторичной обмоток. Что же из себя представляет поток рассеяния для первичной и вторичной обмоток трансформатора? Поток рассеяния из себя представляет — магнитные силовые линии, как и для электромагнита. По рисунку №1 можно проследить и понять сам принцип работы однофазного трансформатора. Читаем схематическое изображение: К первичной обмотке трансформатора подведено переменное напряжение U1 со своим значением переменного тока I1. Ток I1, протекая в первичной обмотке 1 создает в сердечнике трансформатора 3 основной магнитный поток Ф0. Вторичная обмотка замкнута на сопротивление, где для данной цепи протекает ток I2. При этом создается кроме основного магнитного потока — потоки рассеяния Ф1 и Ф2 \магнитные силовые линии\.
рис. 2 В данном рисунке \рис. 2\ дается более наглядное представление о подключении однофазного трансформатора к внешнему источнику переменного напряжения. Нагрузкой для вторичной обмотки может являться обыкновенная электрическая лампочка, — допустим, на 36 вольт 100 Вт с обычным патроном на Е-27 \с соответствующим напряжением для вторичной обмотки\. Принцип действия трехфазного трансформатора
рис. 3 На рисунке представлена схема соединений обмоток для трехфазного трансформатора \рис. 3\. Начала обмоток обозначены в схеме прописными буквами — А, В, С и концы обмоток низкого напряжения с обозначением букв — a, b, c. Конструкция трехфазного трансформатора, как видно по рисунку, состоит из трех отдельных магнитопроводов. Из прочитанной технической литературы можно сделать вывод, что данный тип трансформаторов имеет редкое свое применение. Обычно, обмотки низкого и высокого напряжений трехфазных трансформаторов — выполняются на общем магнитопроводе. В схемах трехфазных трансформаторов, приняты стандартные обозначения прописными буквами:
— для первичных обмоток. Строчными буквами — а, в, с и x, y, z обозначаются начала и концы вторичных обмоток. Принцип действия трехфазного трансформатора тот же, что и у однофазного, и основан на принципе возникновения электродвижущей силы \э.д.с\ в его обмотках. Схемы соединений обмоток — трехфазного трансформатораСоединения обмоток трехфазных трансформаторов могут быть выполнены в следующем исполнении:
Трехфазные трансформаторы обычно изготавливают в стержневом исполнении, то-есть, на каждом стержне размещают обмотки низшего и высшего напряжения — для одной фазы. Читаем схемы трехфазных трансформаторов:
рис. 4 В схеме трехфазного трансформатора \рис. 4\ обмотки высокого и низкого напряжения имеют соединения — звезда\звезда. Для следующей схемы \рис. 5\, первичные обмотки высокого напряжения соединены между собой по схеме — звезда. Вторичные обмотки низкого напряжения соединены между собой по схеме — треугольник.
рис. 5 Так же, встречаются следующие соединения обмоток:
В зависимости от назначения, трехфазные трансформаторы имеют различную конструкцию и так же как и однофазные трансформаторы, состоят из двух основных частей — магнитопровода и обмоток.
По своей конструкции, трехфазные трансформаторы бывают:
естественным охлаждением. Данная тема дает как бы поверхностное представление о трансформаторах, — но у нас все впереди. Следите за рубрикой данного сайта.
zapiski-elektrika.ru Лекция 9. Трансформаторы2 1.2.2.Лекция Тема: Трансформаторы План 1. Назначение. Принцип действия. Классификация. 2. Принцип устройства и особенности конструкции однофазных трансформаторов. 3.Основные технические параметры. 4.Принцип устройства трехфазного трансформатора,принцип его действия. 5. Способы соединения обмоток трехфазного трансформатора. Группы трансформаторов. Самостоятельная проработка.
Задания, метод.указания к самостоятельной работе : Л.1.с.11-13;Л.3.; Материалы лекции. Литература 1. Бушуев В. М. Электропитание устройств связи: Учебник для техникумов. М.: Радио и связь, 1986. – 240с 2. Китаев В. Е. и др. Электропитание устройств связи. Под ред. В. Е. Китаева. Учебник для вузов. М. : «Связь», 1975. – 328с. 3.Набір опорних конспектів з предмету Електроживлення. 1. Трансформатор статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько систем переменного тока. Это определение (ГОСТ 16110-70) охватывает трансформаторы различного устройства и различных назначений. Чаще всего трансформатор используется для передачи и распределения электрической энергии. Очень широко используются трансформаторы в электропитающих устройствах предприятий связи. В частности, они входят в состав выпрямительных устройств, преобразователей постоянного тока (инверторов и конверторов), стабилизаторов и регуляторов переменных напряжений, систем электроснабжения предприятий связи. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор имеет две или более обмоток, расположенных на общем сердечнике, изготовленном из ферромагнитного материала. Одна из обмоток, подключаемая к источнику переменной Э.Д.С., называется первичной, другие, подключаемые к потребителю - вторичные. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике создается переменный магнитный поток, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней переменную Э.Д.С. Если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная, то вторичная Э.Д.С. больше первичной, и трансформатор называется повышающим. Если число витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной, то вторичная Э.Д.С. меньше первичной, и трансформатор называется понижающим. Трансформаторы имеют весьма большой КПД, достигающий 99%. Силовые трансформаторы разделяются на две основные группы – на однофазные и трехфазные. По конструктивному выполнению магнитопровода однофазных трансформаторов подразделяются на три основные типа: стержневые, броневые и тороидальные (кольцевые). Соответственно и трехфазные трансформаторы в зависимости от конструкции магнитопровода подразделяются на пи три типа. Трехфазные трансформаторы изготавливают главным образом стержневыми. 2. Основными частями однофазного трансформатора являются стальной замкнутый сердечник и обмотки. Те части сердечника, на которые наложены обмотки, называются стержнями сердечника. Часть сердечника, которая служит для замыкания магнитной цепи и не несёт на себе обмоток, называются ярмом. Магнитопровода трансформаторов изготавливают из электроферритов и магнитоэлектриков . 3. Трансформаторы характеризуются:
4. Энергию трёхфазного тока можно трансформировать тремя однофазными трансформаторами, первичные и вторичные обмотки которых соединены между собой по одной из трёхфазных схем (групповой трансформатор) или трёхфазным трансформатором. Трёхфазные трансформаторы выполняются стержневыми с расположением стержней в одной плоскости. На каждом стержне такого трансформатора размещаются обмотки низшего и высшего напряжения одной фазы (рис. 1).
о—
рис.1 Трёхфазный стержневой трансформатор Стержни соединяются между собой ярмом сверху и снизу. Недостатком трехфазного трансформатора является не симметрия токов холостого хода фаз, обусловленная несимметрией магнитных сопротивлений (рис.1). Длина магнитных линий потока среднего стержня меньше, чем крайних, меньший намагничивающий ток. Для уменьшения намагничивающих токов и их не симметрии поперечное сечение ярма часто делают несколько большим (примерно на 20%) поперечного сечения стержня. Конструктивно обмотки трёхфазных трансформаторов выполняются так же, как и однофазных. Материал для самостоятельной проработки. 5. Начала и концы обмоток высшего напряжения принято обозначать прописными буквами A, B, C и X, Y, Z, обмоток низшего напряжения строчными - a, b, c и x, y, z. Схему соединения обмоток обозначают дробью, числитель которой обозначает схему обмоток высшего напряжения, знаменатель – низшего.
Рис. 2. Стандартные группы соединения обмоток ∆ - соединение звездой Y- соединение треугольником Для трехфазных двух обмоточных трансформаторов приняты группы соединения обмоток (рис.2). В обозначении на рис.2 в правом столбце указываются цифры, обозначающие группы соединения обмоток и показывающие угловое смещение между векторами линейных Э.Д.С. обмоток низкого напряжения и соответствующими векторами Э.Д.С. обмоток высокого напряжения. Группа зависит от направления намотки обмотки, способа обозначения зажимов, т.е. их маркировки, и способа соединения обмоток трёхфазного трансформатора. Угловое смещение численно равно произведению номера группы на угол в 30°. Если направление намотки обмоток высокого и низкого напряжения одинаково, то Э.Д.С. индуцируемые в обмотках высокого и низкого напряжения, расположенных на одном стержне магнитопровода, совпадают по фазе.
Рис.3 Схема соединения обмоток и векторные диаграммы для трансформатора группы О. Если обмотки высокого и низкого напряжения соединены в звезду и имеют одинаковое направление намотки (рис.3), тогда Э.Д.С. индуцируемые в фазах обмоток высокого и низкого напряжения, будут совпадать: векторы Еа и ЕА, Ев и ЕВ, Ес и ЕС параллельны. Векторы линейных Э.Д.С., соответствующих зажимов обмоток высокого и низкого напряжения (ЕАВ и Еав), оказались параллельными, т.е. угол между ними 0° и трансформатор принадлежит к группе 0.
Рис.4 Схемы соединения обмоток и векторные диаграммы для трансформаторов группы 4. Если изменить обозначения зажимов обмоток низкого напряжения (рис.4), то при этом повернётся на 120° звезда фазных Э.Д.С. обмоток низкого напряжения. В этом случае будут параллельными векторы Ес и ЕА, Еа и ЕВ, Ев и Ес т.к. катушки фаз с и А, а и В, в и с находятся на одних и тех же стержнях я сцеплены с одним потоком. Угол между векторами линейных Э.Д.С. ЕАВ и Еав стал равным 120°, т.е. получили группу 4 (4 · 30° = 120°). При соединении обмоток треугольником линейные Э.Д.С. совпадают с фазными, при соединении звездой линейные Э.Д.С. смещены на 30° по фазе относительно фазных Э.Д.С. Поэтому для схемы (рис.5) линейные Э.Д.С, обмоток высокого и низкого напряжения смещены на 330°, т.е. мы получили группу 11.
Рис. 5. Схемы соединения обмоток и векторные диаграммы для трансформатора группы 11 6. При подключении трансформаторов на параллельную работу последние должны иметь равные выходные напряжения, коэффициенты трансформаций, напряжения короткого замыкания и принадлежать к одной группе. При несоблюдении указанных условий в трансформаторах будут протекать недопустимые уравнительные токи. Кроме того, трансформаторы с меньшим значением напряжения которого замыкания будут перегружены по мощности. На практике допускается у параллельно работающих трансформаторов иметь разброс коэффициента трансформации до 1% и напряжения короткого замыкания до 10%. 7.Автотрансформаторы .Измерительные трансформаторы.(Самостоятельное конспектир.) 8.Расчёт трансформатора источника питания РЭА (силового трансформатора) для цепи переменного тока частотой 50Гц броневого или стержневого типа можно сделать, используя следующую методику: 1. Задаются напряжением первичной обмотки и напряжениями и токами вторичных обмоток. 2. Исходя из заданных данных, определяют мощность вторичных обмоток: P2 = U2 I2 + U3 I3 +…+ UnIn Где U2 U3 Un- напряжения на вторичных обмотках, В; I2 I3 In - токи вторичных обмоток. А; 3. Определяют мощность трансформатора (для трансформаторов мощности до 150 Вт.) Pтр= 1,25Р2 Где Р2 - мощность вторичных обмоток, Вт. 4. Находят площадью сечения сердечника трансформатора (в см2)
5. Определяют число витков обмотки, приходящееся на 1В:
6. На основании полученных данных рассчитывают число витков обмоток: ω1 = ωU1; ω2 = 1,05ωU2; ω3 = 1,05ωU3; … ; ωn =1,05 ωUn; где ω1 ω2 ω3 …ωn -число витков соответствующих обмоток; U1 U2 U3 …Un-напряжение на обмотках, В. 7. Определяют силу тока первичной обмотки:
8. Исходя из полученного результата и зная токи вторичных обмоток, рассчитываем диаметры обмоточных проводов соответствующих обмоток: ; ; ; … ; где I1 I2 I3 … In -токи обмоток. А; ∆ - плотность тока в обмотках. А/мм2 Для обмоток, расположенных ближе к сердечнику, плотность тока принимаются 1,5 - 2 А/мм2, для временных обмоток – 2,5 А/мм2 Контрольные вопросы. 1. Назначение трансформатора? 2. Принцип действия и устройство? 3. Коэффициент трансформации? 4. Основные технические параметры? 5. Конструкция трёхфазного силового трансформатора; обозначение обмоток? 6. Схемы соединения обмоток, обозначения? 7. Стандартные группы соединения обмоток трёхфазных трансформаторов? 8. Условия параллельной работы трехфазных трансформаторов? studfiles.net 8.1. Общие сведения о трансформаторахТРАНСФОРМАТОРЫ Трансформатором называется статическое (т. е. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное чаще всего для преобразования одного переменного напряжения в другое или другие напряжения той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух обмоток, у которых есть общий магнитный поток и которые электрически изолированы друг от друга (за исключением автотрансформаторов). Для усиления индуктивной связи и снижения вихревых токов в большинстве трансформаторов обмотки размещаются на магнитопроводе, собранном из листовой электротехнической стали (рис. 8.1). Магнитопровод отсутствует лишь в воздушных трансформаторах, которые применяются при частотах примерно свыше 20 кГц, когда магнитопровод все равно практически не намагничивается из-за значительного увеличения вихревых токов.
Рис. 8.1. Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания (сеть электроснабжения, генератор), называется первичной. Соответственно первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке, — число витков, напряжение, ток и т. д. Буквенные обозначения их снабжаются индексом 1, например w1 и1 i1 (рис. 8.1). Обмотка, к которой подключается приемник (потребитель электроэнергии), и относящиеся к ней величины называются вторичными (индекс 2). Различают однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. У трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой принято называть соответственно совокупности трех фазных обмоток одного напряжения. На рис. 8.2 показаны основные условные графические обозначения однофазного (1, 2, 3) и трехфазного (4, 5, 6) трансформаторов.
На щитке трансформатора указываются его номинальные напряжения — высшее и низшее, в соответствии с чем следует различать обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН) трансформатора. Кроме того, на щитке должны быть указаны его номинальная полная мощность (ВА или кВА), токи (А) при номинальной полной мощности, частота, число фаз, схема соединений, режим работы (длительный или кратковременный) и способ охлаждения. В зависимости от способа охлаждения трансформаторы делят на сухие и масляные. В последнем случае (рис. 8.3) выемная часть трансформатора погружается в стальной бак, заполненный маслом. На рис. 8.3 показан трансформатор трехфазный масляный с трубчатым баком (в частичном разрезе), где ) — магнитопровод;2 — обмотка НН в разрезе; 3 — обмотка ВН в разрезе, ниже нее и на среднем стержне магнитопровода видны неразрезанные катушки этой обмотки; 4 — выводы обмотки ВН; 5 — выводы обмотки НН; 6 — трубчатый бак для масляного охлаждения; 7 — кран для заполнения маслом; 8 — выхлопная труба для газов; 9 — газовое реле; 10 — расширитель для масла; 11 — кран для спуска масла. Если первичное напряжениеих трансформатора меньше вторичного U2, то он работает в режиме повышающего трансформатора; в противном случае (U1> U2) — в режиме понижающего трансформатора. Впервые для технических целей трансформатор был применен П. Н. Яблочковым в 1876 г. для питания электрических свечей. Но особенно широко трансформаторы стали применяться после того, как М.О. Доливо-Добро-вольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора (1891 г.). На рис. 8.4 показана энергетическая диаграмма трансформатора. Здесь Р1— рис 8.3 мощность в первичной обмотке; Рпр1— мощность потерь на нагревание проводов первичной обмотки; Рс— мощность потерь в магнитопроводе (в стали) на гистерезис и вихревые токи; разность P1 — Рпр1 — Pc = Р12 —мощность во вторичной обмотке; часть мощности Р12 составляет мощность потерь на нагревание проводов Рпр2, а оставшаяся часть Р2 равна мощности цепи, которая питается от трансформатора: Р2 = Р12 — Рпр2= P1 — Рпр1 — Pc — РПР2. При номинальном режиме работы разность (Р1—P2)—мощность потерь в трансформаторе— составляет в среднем только 1—2 % номинальной мощности в первичной обмотке; на диаграмме рис. 8.4 относительная доля мощности потерь для наглядности сильно преувеличена.
Рис. 8.4. Рабочий процесс однофазного трансформатора практически такой же, как и одной фазы трехфазного трансформатора. Поэтому, чтобы облегчить изложение, сначала рассмотрим работу однофазного двухобмоточного трансформатора, а затем уже отметим особенности трехфазных трансформаторов. studfiles.net Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Коэффициент трансформации напряженийСУДОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Конспект лекций
Том 1
для студентов специальности 5.07010407 “Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов” дневной формы обучения
Керчь, 2014 СОДЕРЖАНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . 3 1 Трансформаторы. . . . . . . . . . . 4 1.1 Устройство и принцип действия однофазного трансформатора Коэффициент трансформации напряжений . . . . . . . 4 1.2 Работа однофазного трансформатора под нагрузкой. Трансформация токов . . 5 1.3 Индуктивное сопротивление рассеяния. Приведенный однофазный трансформатор. Пересчет параметров вторичной обмотки . . . . . . . 6 1.4 Опыты холостого хода и короткого замыкания однофазного трансформатора . . 8 1.5 Уравнения однофазного трансформатора. Векторная диаграмма нагруженного трансформатора . . . . . . . . . . . 10 1.6 Внешняя характеристика однофазного трансформатора. Расчет потерь напряжения . 11 1.7 Энергетическая диаграмма и КПД однофазного трансформатора . . . . 13 1.8 Устройство трехфазного трансформатора и группы соединения его обмоток . . 14 1.9 Уравнения трехфазного трансформатора. Векторные диаграммы нагруженного трансформатора . . . . . . . . . 16 1.10 Параллельная работа трехфазных трансформаторов . . . . . 18 1.11 Автотрансформатор, устройство, принцип действия, основные характеристики . 24 1.12 Сварочные трансформаторы, устройство, принцип действия, основные характеристики 26 1.13 Измерительные трансформаторы напряжения и тока . . . . . 27 2 Асинхронные двигатели . . . . . . . . . . 29 2.1 Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя . . . 29 2.2 Условия получения вращающегося магнитного поля статора . . . . 31 2.3 Однослойные обмотки статора АД: простая и распределенная . . . . 33 2.4 Двухслойные петлевые обмотки статора АД с укороченным шагом . . 35 2.5 Работа заторможенного АД при разомкнутом изамкнутом роторе. Индукционный регулятор напряжения . . . . . . . . 40 2.6 Работа вращающегося АД. Параметры э.д.с.и тока ротора. Энергетическая диаграмма и вращающий момент АД . . . . . 41 2.7 Приведение ротора к статору. Схемы замещения АД . . . . . 43 2.8 Механическая и электромеханическая характеристики АД . . . . 45 2.9 Упрощенная и полная формулы Клосса АД . . . . . . 47 2.10 Устойчивости работы АД "в малом" и "в большом" . . . . . 49 2.11 Устройство и принцип действия АД с двухклеточным и глубокопазным ротором . . . . . . . . . . 51 2.12 Механические характеристики АД с двухклеточным и глубокопазным ротором . . . . . . . . . . 54 2.13 Определение параметров двухклеточного ротора по каталожным данным АД . 56 2.14 Способы пуска АД . . . . . . . . . . 59 2.15 Частотное регулирование скорости АД по цепи статора . . . . . 62 2.16 Регулирование частоты вращения АД с фазным ротором . . . . 65 2.17 Полюсопереключаемые АД . . . . . . . . . 67 2.18 Способы торможения АД . . . . . . . . . 70 2.19 Однофазный однообмоточный АД . . . . . . . . 73 2.20 Однофазный двухобмоточный АД . . . . . . . . 75
ВВЕДЕНИЕ Электрическими называют машины, совершающие преобразование механической энергии в электрическую, передачу ее на расстояние и обратное преобразование электрической энергии в механическую. Электрическая машина (ЭМ), предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую, называется генератором. ЭМ, предназначенная для обратного преобразования энергии, называется двигателем. ЭМ, предназначенная для преобразования параметров электрической энергии с целью передачи ее на расстояние, называется трансформатором. ЭМ представляет собой электромагнитную систему, состоящую из взаимосвязанных магнитных и электрических цепей. Магнитная цепь включает неподвижный и подвижный магнитопроводы и немагнитный воздушный зазор, отделяющий их друг от друга. Электрические цепи образуются обмотками, которые могут перемещаться друг относительно друга совместно с магнитопроводами, на которых они размещены. Электромеханическое преобразование энергии в ЭМ основано на явлениях получения электродвижущей силы, электрического тока, магнитного поля и механической силы. ЭМ могут быть рассчитаны для работы с сетью переменного и постоянного тока. В соответствии с этим они делятся на ЭМ переменного тока и ЭМ постоянного тока. Цель курса ЭМ – дать студентам основы теории, конструкции, характеристик и особенностей работы электрических машин. В результате изучения дисциплины студенты должны знать: - конструкцию электрических машин и их принцип действия; - рабочие характеристики электрических машин; - варианты использования электрических машин по назначению. Студенты должны уметь: - использовать электрические машины по их прямому назначению; - оценивать (диагностировать) техническое состояние электрических машин; - организовывать техническое обслуживание судовых электрических машин. ТРАНСФОРМАТОРЫ Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Коэффициент трансформации напряжений
Однофазный трансформатор содержит катушки с намотанными на них обмотками, которые посажены на замкнутый сердечник (магнитопровод) из электротехнической стали. Катушки называются первичной и вторичной обмотками, которые имеют, соответственно, w1 и w2 число витков (рис.1.1). Первичная обмотка одна-единственная, а вторичных обмоток может быть больше одной. Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения (в сеть) U1. С вторичной обмотки снимается переменное напряжение U2. Трансформатор может работать как в режиме холостого хода (х.х.), когда вторичная обмотка разомкнута (рис.1.1,а), так и под нагрузкой, когда к вторичной обмотке подключено сопротивление нагрузки (нагрузка) zн (рис.1.1,б).
Работа трансформатора на холостом ходу (рис.1.1,а). Первичная обмотка w1 подключена к сети с напряжением U1 и так как из сети и обмотки образована замкнутая цепь, то по обмотке потечет переменный ток I1. Переменный ток I1 создаст в катушке переменное магнитное поле Ф1, которое практически полностью будет сосредоточено в магнитопроводе. На магнитопроводе помещена вторичная обмотка w2 и переменное магнитное поле Ф1 пересекает контуры (витки) вторичной обмотки и, поэтому в ней наведется электродвижущая сила (э.д.с.) Е2. Концы вторичной обмотки выведены наружу трансформатора и на этих выводах будет присутствовать напряжение U2, которое в точности будет равно э.д.с. Е2 (так как вторичная обмотка разомкнута). Таким образом, в трансформаторе произошло преобразование переменных напряжений: U1 преобразовалось в напряжение U2. Одновременно переменное магнитное поле Ф1 пересекает контуры (витки) первичной обмотки и, поэтому в ней наведется электродвижущая сила (э.д.с.) Е1. Так как общий (суммарный) магнитный поток ФΣ одинаков для витков обоих обмоток и, поэтому, в каждом витке обмоток индуктируется одинаковая по величине э.д.с., которую обозначим как Евит. Э.д.с. обмоток будут прямо пропорциональны числам их витков w1 и w2:
Из (1.1) следует, что отношение э.д.с. обмоток равно отношению их числа витков:
Коэффициент трансформации. Коэффициентом трансформации kтр называют следующее отношение напряжений U1 и U2 на обмотках:
Ввиду реальной (подтвержденной опытным путем) малости падения напряжения на внутреннем сопротивлении z1 первичной обмотки, э.д.с. Е1 будет практически равной напряжению U1: Формула коэффициента трансформации с учетом (1.3) и (1.2) примет вид:
Из последней формулы следует, что коэффициент трансформации kтр можно рассчитывать как конструктивную характеристику трансформатора (без подключения трансформатора к сети). Это удобно. Если U2>U1, то трансформатор называют повышающим и его kтр<1. Если U2<U1, то трансформатор называют понижающим и его kтр>1. Вопросы и задания 1. Поясните устройство трансформатора, назначение катушек и магнитопровода. 2. Объясните принцип действия трансформатора. 3. Почему в первичной обмотке, подключенной к сети, возникает э.д.с Е1? В каком соотношении находится э.д.с Е1 с напряжением сети U1? 4. Что такое коэффициент трансформации kтр и какие варианты расчета его существуют?
1.2 Работа однофазного трансформатора под нагрузкой. Трансформация токов
К выводам вторичной обмотки подключается нагрузка zн (рис.1.1,б). В подключенной к сети первичной обмотке протекает переменный ток I1, который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1. Переменный магнитный поток Ф1 будет пересекать витки вторичной обмотки и, поэтому, в ней наведется переменная э.д.с. Е2. Так как вторичная обмотка вместе с сопротивлением zн образуют замкнутый контур, то в контуре и в самой вторичной обмотке потечет переменный ток I2. Переменны ток I2 создаст вв вторичной катушке и в магниторпроводе переменное магнитное поле Ф2. Если напряжение U1 синусоидально, то синусоидален созданный им ток I1, синусоидально поле Ф1, синусоидальны э.д.с. Е2 и ток I2 и, наконец, синусоидально поле Ф2. Определенное по правилу Ленца магнитное поле Ф2 будет находиться в противофазе с полем Ф1. Этот факт на рис.1.1,б отражен тем, что потоки Ф1 и Ф2 направлены в магнитопроводе встречно. Два встречных магнитных потока создадут одно суммарное поле:
Суммарное поле ФΣ наводит в обоих обмотках э.д.с. Е1 и Е2. При реальных малых внутренних сопротивлениях z1 и z2 обмоток трансформатора различия между э.д.с. Е1 и Е2 и соответствующими напряжениями U1 и U2 незначительны (2..3%) независимо от степени загрузки трансформатора. Поэтому, при постоянном действующем значении сетевого напряжения U1 действующее значение э.д.с. Е1 также будет постоянным. Если э.д.с. Е1 создается переменным магнитным полем ФΣ, то при постоянстве действующего значения э.д.с. Е1, также будет постоянна амплитуда магнитного потока ФΣ. Это явление, наблюдающееся в трансформаторе, называется принципом постоянства магнитного поля в сердечнике трансформатора. Так как ФΣ связан с потоками Ф1 и Ф2 соотношением (1.5), то при возрастании тока I2 вторичной обмотки и создаваемого им магнитного потока Ф2 должен увеличиться магнитный поток Ф1. Это возможно только одним путем – увеличением потребляемого из сети тока I1. Значит, I1 отслеживает изменения тока I2: если I2 изменится, вслед за ним пропорционально изменится ток I1. Описанное явление называется трансформацией токов в трансформаторе. Числовой характеристикой взаимозависимости токов является коэффициент трансформации токов:
Числовое значения коэффициента трансформации токов для нагруженного трансформатора практически совпадает с базовым определением коэффициента трансформации через напряжения обмоток (1.3):
Из последнего равенства цепи (1.7) следует вывод: полные мощности первичной и вторичной обмоток практически одинаковы. Это значит, что в трансформаторе не происходит преобразования мощности, а преобразуются только напряжения и токи. Вопросы и задания 1. Как создается суммарный магнитный поток ФΣ? 2. Объясните принцип постоянства суммарного магнитного потока ФΣ. 3. Что такое коэффициент трансформации токов? 4. Объясните принцип постоянства полной мощности трансформатора. 1.3 Индуктивное сопротивление рассеяния. Приведенный однофазный трансформатор. Пересчет параметров вторичной обмотки Определение индуктивного сопротивления рассеяния.
Ток I в обмотке трансформатора создает магнитное поле Ф, направление которого определяется правилом буравчика. Поле представляет собой замкнутые линии, которые окружают проводник витка с током и которые вложены друг в друга. Между обмоткой и сердечником существует технологический зазор δ, образованный толщиной стенок каркаса катушки, многослойно намоткой обмотки с применением изоляционных прокладок между слоями. Те лини магнитного поля, которые не достигли тела магнитопровода, образуют поля рассеяния Фр. Более удаленные линии магнитного поля проникают в магнитопровод и создают в нем основное магнитное поле Фосн. Благодаря полю Фосн осуществляется трансформация напряжений между посаженными на сердечник обмотками, что определяет использование трансформатора по назначению. Поля Фр, находящиеся вне сердечника, в трансформации напряжений не участвуют и, поэтому их называют полями рассеяния. Поля Фр, как созданные током I в катушке, прямо пропорциональны току: Фр ~ I. (1.8) В то же время поля Фр являются переменными, так как ток I в катушке переменный. Переменное магнитное поле Фр индуктирует в катушке э.д.с. рассеяния Ер, которая прямо пропорциональна ему: Ер ~ Фр (1.9) Из пропорций (1.8) и (1.9) следует, что между э.д.с. Ер и током Фр ~ I также существует прямая пропорция: Ер ~ I (1.10) Известно, что законом Ома устанавливается пропорция между напряжением цепи и током в ней и коэффициентом пропорциональности является сопротивление. Применим формально к выражению (1.10) закон Ома:
где хр называют индуктивным сопротивлением рассеяния. Теперь используем следующие факты относительно переменных Ер, Фри I. Ток I и магнитный поток Фр синфазны, а э.д.с. Ер отстает по фазе от потока Фр на угол 90○. Следовательно, э.д.с. Ер отстает от тока I на угол 90○. В комплексных переменных отстающему на угол 90○ сигналу соответствует символ -j. С учетом указанного фазового сдвига между Ер и I выражение (1.11) может быть заменено на векторное:
Приведенный однофазный трансформатор. Процедура приведения трансформатора заключается его в замене электрической схемы, содержащей две индуктивно связанные катушки, на схему с непосредственным соединением первичной и вторичной обмоток. Расчет последней схемы будет проще, так как в ней не будет индуктивной связи. Процедура приведения поясняется серией рисунков (рис.1.3).
На рис.1.3,а приведена исходная схема физического трансформатора. Затем каждая из обмоток представляется (рис.1.3,б) в виде источника э.д.с. Е1 и Е2, индуктивного сопротивления рассеяния хр1 и хр2 и активных сопротивлений R1 и R2 проводников обмоток. В последней схеме Е1 и Е2 не равны друг другу, так у обмоток неодинаковые числа витков w1 и w2. Изменяем число витков w2 вторичной обмотки так, чтобы оно стало равным числу витков w1 первичной обмотки (рис.1.3,в). В результате э.д.с. Е2 станет равной э.д.с. Е1. Изменившуюся э.д.с. Е2 обозначим как При работе трансформатора под нагрузкой близкой к номинальной ток I0 намного меньше двух других токов I1 и Пересчет параметров вторичной обмотки. У приведенной вторичной обмотки для ее параметры и сигналов применены обозначения
При выводе формул использовались равенство активных, реактивных и полных мощностей на всех одноименных элементах исходной схемы трансформатора и его схемы замещения. Расчеты, например, напряжения U2 и тока I2 в нагрузке с использованием полной схемы замещения трансформатора выполнятся по следующему алгоритму: 1. По формулам с 3-й по 7-ю системы (1.13) переводятся все физические сопротивления в приведенные. Сопротивления первичной обмотки xр1 и R1 и цепи намагничивания x0 и R0 берутся не пересчитанными. 2. По схеме замещения (рис.1.3,д) методами теории цепей рассчитываются все токи и напряжения, в том числе и 3. По формулам, обратным к формулам 1 и 2 системы (1.13), рассчитывают физические напряжение U2 и ток I2. Вопросы и задания 1. Поясните картину магнитного поля катушки трансформатора и смысл названий потоков основного и рассеяния. 2. Как выводится индуктивное сопротивление рассеяния? 3. Поясните этапы приведения трансформатора. 4. Какие существуют схемы замещения трансформатора? 5. Какой алгоритм расчета по схеме замещения трансформатора? 1.4 Опыты холостого хода и короткого замыкания однофазного трансформатора
Сопротивления схемы замещения трансформатора принято определять экспериментально из опытов холостого хода и короткого замыкания. Опыт холостого хода. Схема опыта приведена на рис.1.4,а. Условия проведения опыта: - вторичная обмотка w2 разомкнута; - на первичную обмотку w1 подается номинальное напряжение U1ном.
Подключенными приборами измеряются: напряжения U1 и U2 первичной и вторичной обмоток, ток холостого хода I1=Ixx первичной обмотки и потребляемая активная мощность Р1. Так как ток во вторичной обмотке нулевой, а ток первичной обмотки Ixx мал, то потерями мощности в активных сопротивлениях обмоток можно пренебречь. Магнитный поток в сердечнике номинальный, так как к трансформатору приложено номинальное напряжение U1ном. Измеренная активная мощность Р1 является номинальной мощностью потерь в стали Р1=Рст.ном. Схема замещения для опыта представлена на рис.1.4,б. Так как в разомкнутой вторичной обмотке ток нулевой, то нулевым будет падение напряжения DU2=0 на внутреннем сопротивлении обмотки. Вследствие этого внутреннее сопротивление вторичной обмотки можно считать нулевым. У реальных трансформаторов внутренние сопротивления хр1 и R1 первичной обмотки намного меньше сопротивлений х0 и R0 цепи намагничивания: R1<<R0 и xp1<<x0. Поэтому внутренними сопротивлениями первичной обмотки можно пренебречь и считать их нулевыми. На схеме замещения внутренние сопротивления обоих обмоток показаны закороченными. По измеренным значениям рассчитывают: 1) сопротивления R0 и x0 цепи намагничивания по формулам
2) коэффициент трансформации
Опыт короткого замыкания. Схема опыта приведена на рис.1.5,а. Условия проведения опыта: - вторичная обмотка w2 замкнута на амперметр с практически нулевым внутренним сопротивлением; - на первичную обмотку w1 подается пониженное напряжение Uкз такой величины, при котором во вторичной обмотке протекает номинальный ток I2ном.
Подключенными приборами измеряются: напряжение U1 первичной обмотки, токи I1 и I2 первичной и вторичной обмоток и потребляемая активная мощность Р1. Напряжение короткого замыкания Uкз мало и составляет всего 4...7% от номинального. Магнитный поток в магнитопроводе, который пропорционален Uкз, также очень мал и потери мощности в стали Рст, которые пропорциональны При проведении опыта контролируется на равенство номинальному тока I2 вторичной обмотки. В силу свойства трансформатора трансформировать ток, номинальным будет также ток и первичной обмотки I1ном. Значит измеренные потери мощности являются номинальными потерями в меди Рм.ном обмоток. В полной схеме замещения для опыта, представленной на рис.1.5,в, цепью намагничивания можно пренебречь, так как ток I0 в ней намного меньше токов I1 и I'2. Объединив, затем, активные R1, R'2 и реактивные сопротивления рассеяния xp1, x'p2 обмоток в сопротивления, соответственно, Rк и хк, получим простейшую схему замещения (рис.1.5,в) для опыта короткого замыкания. По измеренным значениям рассчитывают: 1) сопротивления Rк и xк короткого замыкания по формулам
2) активные R1, R'2 и реактивные сопротивления рассеяния xp1, x'p2 обмоток, принимаемые равными половине сопротивлений Rк и хк короткого замыкания:
и физические сопротивления вторичной обмотки (см. формулы (1.13)):
Вопросы и задания 1. Назовите условия проведения опыта холостого хода и определяемые по результатам опыта параметры схемы замещения трансформатора. 2. Поясните вид схемы замещения трансформатора и смысл измеренных сигналов в опыте холостого хода. 3. Назовите условия проведения опыта короткого замыкания и определяемые по результатам опыта параметры схемы замещения трансформатора. 4. Поясните вид схемы замещения трансформатора и смысл измеренных сигналов в опыте короткого замыкания.
1.5 Уравнения однофазного трансформатора. Векторная диаграмма нагруженного трансформатора Система уравнений однофазного трансформатора состоит из уравнений, которыми описывается полная схема замещения его (рис.1.3,д), и уравнение нагрузки:
Для нагруженного трансформатора заданными величинами являются: - напряжение сети U1; - сопротивления R1, R'2, xp1, x'p2, R0, x0 схемы замещения трансформатора; - сопротивления Rн, xн нагрузки. Этих данных достаточно для того, чтобы рассчитать напряжение U2 на нагрузке по уравнениям системы (1.18). Расчет можно выполнить как аналитически символическим методом, так и графо-аналитически с использование векторной диаграммы трансформатора. Порядок построения векторной диаграммы нагруженного трансформатора: 1). Задаемся произвольным числовым значением напряжения
Из 5-го уравнения системы (1.18) рассчитываем по закону Ома ток
Поводим вектор
2). Вычисляем вектора напряжений 3). Из 3-го уравнения системы (1.18) находим параметры тока I0:
Поводим вектор 4). В соответствии с 4-м уравнением системы (1.18) находим вектор тока 5). Вычисляем вектора напряжений 6). При определенной построением длине вектора
и истинное (в п.1 принималось произвольное значение) напряжения U2:
Вопросы и задания 1. Составьте уравнения, описывающие нагруженный трансформатор. 2. Поясните вычисления и построения, позволяющие найти вектор 3. Поясните вычисления и построения, позволяющие найти вектор 1.6 Внешняя характеристика однофазного трансформатора. Расчет потерь напряжения
Внешней характеристикой трансформатора называется зависимость напряжения U2 на нагрузке от протекающего в ней тока I2 при неизменном напряжении сети U1 или, если использовать в расчетах схему замещения трансформатора, - напряжения Трудоемкость вычислений и вид внешней характеристики существенно зависит от вида используемой в расчетах схемы замещения трансформатора. Расчеты по полной схеме замещения можно выполнить с использованием векторной диаграммы, приведенной на рис.1.6. Однако формулы внешней характеристики будут громоздкими и сложными. При расчетах внешней характеристики для нагруженного трансформатора можно использовать простейшую схему замещения, изображенную на рис.1.3,ж. Формулы внешней характеристики будут простейшими с допустимой в инженерных расчетах погрешностью ±5%. Следовательно, допустимо рассматривать только вариант расчета с простейшей схемой замещения трансформатора. Перед выводом формулы внешней характеристики учтем две особенности: 1) в упрощенной схеме отсутствует цепь намагничивания и, поэтому, ток I0 равен нулю, а токи I1 и 2) для реальных трансформаторов угол δ между векторами напряжений С учетом отмеченных особенностей векторная диаграмма трансформатора, из которой выводятся формулы внешней характеристики, будет вида, приведенного на рис.1.7. Так как на рис.1.7 вектора напряжений
Из векторной диаграммы следует
Падение напряжения ΔU'mp на внутреннем сопротивлении Rк+jxк трансформатора равно длине отрезка
После подстановки (1.20) в (1.19) получаем внешнюю характеристику:
График внешней характеристики представляет собой прямую линию (рис.1.8). Наклон внешней характеристики зависит как от внутреннего сопротивления Rк+jxк трансформатора, так и от фазового сдвига φн между током и напряжением нагрузки. Для установления такой зависимости преобразуем выражение (1.21):
где φк - фазовый сдвиг между током и напряжением на внутреннем сопротивлении трансформатора и он для трансформатора является фиксированной величиной, причем 0<φк<90○; β – коэффициент загрузки трансформатора по току. Как следует из (1.22), наклон внешней характеристики зависит от напряжения короткого замыкания Uкз трансформатора и разности (φк-φн) фазовых сдвигов: - чем больше Uкз, тем круче наклон; - для активно-индуктивной нагрузки с 0<φн<90○ наклон всегда отрицательный, так как |(φк-φн)|<90○ и, поэтому cos(φк-φн)>0; - для активно-индуктивной нагрузки отрицательный наклон максимален при (φк-φн)=0; - для активно-емкостной нагрузки с -90○<φн<0 наклон будет нулевым при (φк-φн)=90○ и положительным при (φк-φн)>90○. Вопросы и задания 1. Что такое "внешняя характеристика трансформатора" и чем определяется выбор метода ее расчета? 2. Приведите вывод формулы внешней характеристики трансформатора. 3. От чего зависит наклон внешней характеристики трансформатора? 1.7 Энергетическая диаграмма и КПД однофазного трансформатора Назначением трансформатора является обеспечение нагрузки, подключенной к вторичной обмотке, активной мощностью Р2 при заданном напряжении U2 на ней. При работе трансформатора возникают в нем потери активной мощности в меди Рм, нагревающие обмотки, и потери в стали Рст, разогревающие магнитопровод. Из сети потребляется мощность Р1. Из первичной обмотки во вторичную передается через переменное магнитное поле электромагнитная мощность Рэм. Энергетическая диаграмма отображает в графической форме связь между названными мощностями (рис.1.9). Потери в стали Рст не зависят от приведенного тока нагрузки stydopedia.ru |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
. Первичный ток İ1 получают путём векторного суммирования векторов токов İ2 и İ0 .
( 
- номинальный первичный ток ИТТ) и сопротивления нагрузки 
и 
и 
,
- коэффициент трансформации ИТН.
.
и увеличением (по сравнению с холостым ходом) тока 
. Появление тока во вторичной обмотке увеличивает первичный ток по сравнению с током холостого хода на величину, пропорциональную вторичному току 
. Вторичный ток как бы проходит через первичную цепь с соответствующим пересчётным множителем 
.
в первичной и вторичной обмотках, вследствие чего Ú2 = Ú′1 - ∆U ( 
- напряжение первичной обмотки, приведенное к вторичной). Таким образом, вторичное напряжение 
отличается от приведенного первичного 
по значению на 
,
, причём 
.
- опережает его на 
. Суммируя геометрически векторы: Ú2, İ2R2 и 
. Ток намагничивания равен геометрической разности первичного и вторичного токов
,а ток намагничивания отстаёт от неё на 
- опережает его на 
, 
и 
.
, то трансформатор называется понижающим (U1
U2), а если n 
1 - то повышающим.
в понижающем трансформаторе
в повышающем трансформаторе
рис. 1
(1.1)
(1.2)
(1.3)
. Для вторичной обмотки, тока в которой нет, напряжение U2 будет точно равным э.д.с. Е2: U2=Е2.
(1.4)
(1.5)
(1.6)
Приравняв два (1.3) и (1.6) определения коэффициента трансформации (через токи и напряжения обмоток), получим:
(1.7)
На рис.1.2 приведен чертеж картины магнитных полей обмотки трансформатора.
(1.11)
(1.12)
. Также обозначения сопротивлений хр2 и R2 изменим на 
Так как стало 
, то между обмотками w1 и 
можно установить перемычки (рис.1.3,г), в которых не будет тока, а просто будет механическое объединение физической первичной и приведенной вторичной обмоток. При таком соединении можно считать указанные обмотки считать одной обмоткой, намотанной запараллеленным проводом, и считать ее как одной катушкой с сердечником. Такая катушка представляется в виде последовательно соединенных сопротивлений х0 и R0 с тем их физическим смыслом, что сопротивлением х0 учитывается наличие в катушке основного магнитного поля Фосн, а сопротивлением R0 учитываются потери мощности в стали магнитопровода на гистерезис и вихревые токи. Схема приведенного трансформатора примет окончательный вид (рис.1.3,д). Схема называется полной схемой замещения трансформатора. Между обмотками приведенного трансформатора больше нет магнитной связи.
, и, поэтому, можно цепью намагничивания х0 и R0 можно пренебречь. В результате получаем упрощенную схему замещения трансформатора (рис.1.3,е). Объединением сопротивлений хр1 с 
и R2 с 
получим простейшую схему замещения (рис.1.3,ж), в которой 
и 
называют, соответственно, индуктивным и активным сопротивлениями короткого замыкания трансформатора.
. Сопротивления нагрузки тоже должны быть обозначены как приведенные: 
У исходного трансформатора перечисленные величины являются физическими и имеют обозначения U2, I2, xp2, R2. zн, xн и Rн. Для того, чтобы можно было в расчетах электрических схем с трансформатором использовать его схему замещения, необходим пересчет физических величин (без штриха) в приведенные (со штрихом). Формулы пересчета имеют вид:
(1.13)
.
(1.14)
и составляют 
%, что является очень малой величиной. Поэтому потерями мощности в стали можно пренебречь.
(1.15)
(1.16)
(1.17)
(1.18)
. Проводим горизонтально вектор напряжения 
, длина которого определяется через величины 
:
.
под углом 
к вектору 
и 
, и проводим суммирование в соответствии с 5-м уравнением системы (1.18) векторов 
и 
. Вектор найденной суммы должен совпасть с вектором 
и 
, и проводим их суммирование в соответствии с 2-м уравнением системы (1.18). Вектор найденной суммы будет вектором 
.
под углом 
к вектору 
.
как сумму векторов 
и 
.
и 
, и проводим их суммирование с вектором 
напряжения сети.
от тока 
при неизменном U1.
совпадают и, следовательно, в расчетах можно использовать только ток 
и 
. (1.19)
, который является суммой отрезков 
и 
. Из диаграммы, как чертежа, следует формула потерь напряжения в нагруженном трансформаторе
(1.20)
(1.21)
(1.22)
и от физического тока I2 и, следовательно, от коэффициента загрузки трансформатора β.
