- •Часть 3
- •Введение
- •Некоторые бытовые электрические устройства Утюг
- •Холодильник
- •Стиральная машина
- •2. Трехфазные цепи. Трансформаторы. Асинхронные машины
- •Трансформатор
- •Асинхронные машины
- •Пример расчета возможной перегрузки квартирной сети
- •Использование предохранителей для предотвращения короткого замыкания и перегрузки сети
- •Счетчики электрической энергии
- •Передача и распределение электрической энергии
- •Преимущества Единой энергетической системы
- •Аппаратура управления и защиты линий высокого напряжения
- •Учет потери электрической энергии в проводах
- •Расчет проводов по допустимому нагреву
- •Список используемых источников
Трансформатор
Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток (на рис.8 приведен однофазный трансформатор с двумя обмотками).
Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.
Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.
При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением по обмотке начнет проходить ток , который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток (рис.8). Этот поток порождает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции , которая будет уравновешивать напряжение .
Магнитный поток, пронизывая также витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС , которую можно использовать для питания нагрузки .
К зажимам первичной обмотки обычно подводится гармоническое напряжение , тогда магнитный поток и ЭДС и также меняются по гармоническим законам: , , , причем можно показать, что справедлива следующая формула связи между действующими значениями ЭДС и (о действующих значениях мы поговорим в разделе, посвященном гармоническому режиму работы цепи) и амплитудным значением магнитного потока :
, (4)
, (5)
где и - числа витков обмоток.
Примечание1. Действующие значение какой-либо электрической величины , меняющейся по гармоническому закону: , связано с амплитудным значением этой величины так: .
Если поделить одно равенство на другое, получим:
, (6)
где величина – отношение чисел витков обмоток трансформатора, называется коэффициентом трансформации.
Из формулы (6) видно, что если число витков первичной катушки (обмотки) превышает число витков вторичной, то и действующее значение ЭДС больше действующего значения ЭДС в раз.
При этом условии - - трансформатор называют понижающим. Если же , то и , и тогда трансформатор называют повышающим.
Что же можно сказать об отношении мгновенных значений ЭДС ? Будет ли оно оставаться постоянным и равным ?
Поскольку обе ЭДС порождаются одним и тем же магнитным потоком, то обе они будут меняться гармонически и с равными фазами, совпадающими с фазой магнитного потока. (Для обоснования этого вспомните математическое выражение закона электромагнитной индукции).
Так как мощности на входе и выходе трансформатора равны , , то, учитывая большой КПД трансформатора, можем записать:
. (7)
В линиях электропередачи в основном используются трехфазные силовые трансформаторы. Магнитопровод трехфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещены по две обмотки одной фазы (рис. 9).
Для подключения трансформатора к линиям электропередачи на крышке бака имеются вводы, представляющие собой фарфоровые изоляторы, внутри которых проходят медные стержни. Вводы высшего напряжения обозначают заглавными буквами , а низшего – строчными - . Ввод нулевого провода обозначают .
Относительно каких напряжений – фазных или линейных – определяют коэффициент трансформации трехфазного трансформатора и как влияет на способ соединения обмоток источника и приемника?
Оказывается, что этот коэффициент обычно определяют относительно линейных напряжений, и он зависит от способа соединения обмоток. Эти способы таковы: 1) соединение первичных и вторичных обмоток звездой (рис.10а), 2) соединение первичных обмоток звездой, вторичных – треугольником; 3) соединение первичных обмоток треугольником, вторичных – звездой.
Пусть - коэффициент трансформации соответствующего однофазного трансформатора, т.е. отношение числа обмоток одной фазы: .
Если через обозначить коэффициент трансформации линейных напряжений, то для указанных трех случаев получим:
соединение по схеме звезда – звезда:
; (8)
соединение по схеме звезда – треугольник:
; (9)
соединение по схеме треугольник – звезда:
. (10)
Примечание Связи между линейными и фазными напряжениями для цепей типов “треугольник” и “звезда”, которые приведены на рис. 10 и используются в (8)-(10), пока примите без обоснования.
Какой вывод следует из (8)-(10)?
Мы видим, выбирая ту или иную схему соединения первичной и вторичной обмоток трехфазного трансформатора, можно существенно изменять коэффициент трансформации, причем минимальный и максимальный коэффициенты трансформации отличаются в три раза. Очевидно, возможность такой регулировки коэффициента трансформации является преимуществом трехфазного трансформатора перед однофазным.
Область применения трансформаторов весьма многочисленна: их применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.
В соответствии с назначением различают: силовые трансформаторы – для питания электрических двигателей и осветительных сетей; специальные трансформаторы – для питания сварочных аппаратов, электропечей и других приборов особого назначения; измерительные, служащие для подключения измерительных приборов.
Расчетные мощности трансформаторов различны – от долей вольт-ампер до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты – от единиц герц до сотен килогерц.
Одно из преимуществ трансформатора – он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, благодаря чему его КПД ( ) – отношение мощности на выходе (мощности, потребляемой нагрузкой ) к мощности на входе - - достигает 99%.
Пример. По схеме трансформатора, приведенной на рис.11, определить, повышающий он или понижающий. Определить также КПД трансформатора и амплитудные значения тока и напряжения потребителя.
1 ) Без всякого расчета можно сказать, что трансформатор повышающий, так как число витков вторичной катушки больше числа витков первичной катушки.
2) искомое КПД,
где ,
.
.
В силу Примечания для амплитудных значений выходных токов и напряжений получим: , .