Тема 6

ТРАНСФОРМАТОРЫ

В теме 6 рассмотрено назначение, устройство, принцип действия, параметры и хара­ктеристики однофазных трансформаторов. Особое внимание уделено экспери­­ментальному определению параметров трансформатора и снятию его внешней ха­рактеристики. Изложены особенности трехфазных, авто- и измерительных трансформаторов.

Установочная лекция 8 (2 ч)

Дидактические единицы:

61. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора (Тр).

6.2. Режимы работы Тр.

6.3. Опыты ХХ и КЗ трансформатора.

6.4. Внешние характеристики Тр.

6.5. Особенности трехфазного Тр.

СОДЕРЖАНИЕ

6.1. Назначение, устройство и принцип действия однофазного Тр

Трансформатор (Тр) – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования напряжения и тока по уровню (без изменения частоты).

Трансформаторы находят широкое применение:

• для передачи и распределения электрической энергии,

• для обеспечения согласования напряжений на входе и выходе преобразователя, 

• для различных технологических целей: сварки, питания электротермических установок, для питания различных цепей радио-, электронно-вычислительной и телевизионной аппаратуры, устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов и т.д.

Трансформаторы изготавливают двух типов: понижающие напряжение, например, до 400 В и ниже и повышающие его до 3...500 кВ и выше. Они могут быть одно- и многофазными (чаще всего трёхфазными), двухобмоточными и более.

Диаапазон мощностей силовых масляных Тр общего назначения от 10 кВ·А до 630 МВ·А на напряжения (первичные) 10(6), 35, 110, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, сухого исполнения – от единиц В·А до 2500 кВ·А на первичные напряжения 380, 500, 660, 10000 В и вторичные – 230 и 400 В. Силовые Тр однофазные, мощностью 4 кВ·А и ниже и трёхфазные – 5 кВ·А и ниже относят к Тр малой мощности. Наряду с силовыми в практической электротехнике широко используются измерительные Тр тока и напряжения

6 .1.1. Устройство двухобмоточного Тр. Простейший Тр (рис. 6.1а) состоит из трех частей: магнитопровода и двух обмоток: первичной и вторичной.

       Использование ферромагнитного магнитопровода (стального сердечника) позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому замыкается магнитный поток Ф.  В Тр обмотка с более высоким напряжением называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а с более низким – обмоткой низшего напряжения (НН). Начало и конец обмотки ВН обозначают буквами А и Х, а обмотки НН – буквами а и х.

6.1.2. Принцип действия ТР основан на явлении взаимной индукции. При этом Тр обеспечивает передачу электрической энергии от первичной электрической цепи (обмотки) во вторичную, изменяя значения таких электрических параметров, как ЭДС, напряжение и ток, не меняя их частоты. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока – к электрической сети с напряжением u₁, к вторичной обмотке присоединяется приёмник электрической энергии (нагрузка) с сопротивлением Z_н.

       Электромагнитные процессы в Тр описываются нелинейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями. Однако для практических расчётов нелинейными эффектами часто пренебрегают и для анализа процессов в Тр используют комплексный метод.

При подключении Тр к сети с синусоидальным напряжением u₁ в первичной обмотке протекает ток i₁, при этом магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки F₁ = w₁i₁ возбуждает магнитный поток Ф, который замыкается, в основном, по магнитопроводу. Магнитный поток Ф индуктирует в обеих обмотках Тр ЭДС (рис. 6.1б): е₁ = е_1L (ЭДС самоиндукции) и е₂ = = е_2м (ЭДС взаимной индукции), пропорциональные числу витков w₁ и w₂ обмоток и скорости изменения магнитного потока, т.е.

        Магнитный поток Ф₂, возбужденный МДС вторичной обмотки F₂ = w₂i₂, направлен, сог­ла­сно принципу Ленца, навстречу потоку Ф₁, созданному в магнитопроводе током первичной обмотки i₁, т.е. поток Ф₂ стремится размагнитить магнитопровод, нарушая тем самым электрическое состояния (равновесие) в первичной обмотке,

где R₁ – активное сопротивление первичной обмотки.

Появление тока i₂ и магнитного потока Ф₂ во вторичной обмотке вызывает увеличение тока i₁ ровно настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие вторичного тока и сохранить суммарный магнитный поток Ф в магнитопроводе неизменным.

О тношение мгновенных или действующих ЭДС обмоток называют коэффициентом транс­формации Тр

        В Тр с ненасыщенным ферромагнитным сердечником уровни напряжения и тока во вторичной обмотке будут другими по срав­нению с электрическими величинами в первичной обмотке. Например, при w₂ < w₁, напряжение во вторичной обмотке U₂ меньше в n раз напряжения U₁, а ток в ней соответственно возрастает приблизительно в n раз:

или U₁I₁ ≈ U₂I₂.

       

В Тр с ферромагнитным сердечником передача энер­гии от первичной обмотки во вторичную цепь (в нагрузку) происходит без больших потерь, с высоким КПД, равным

η = P₂/P₁ ≈ 0.970.995.