Уравнение электрического состояния однофазных трансформаторов

Трансформаторы

Содержание:

Основные понятия. Назначение, области применения трансформатора

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения. Такое преобразование необходимо во всех отраслях промышленности. В частности, в энергетике применение трансформаторов обеспечивает основное преимущество электрической энергии — возможность передачи се на большие расстояния с минимальными потерями. При передаче электроэнергии в линии электропередачи возникают потери энергии. Эти потери определяются током , в линии передачи и сопротивлением се проводов

Мощность, передаваемая в линии передачи, определяется током и напряжением в ЛЭП: При относительно низком напряжении , ток в линии может быть весьма большим. Большой ток в проводах линии электропередачи в соответствии с (6.1) обусловливает значительные потери. Для уменьшения этих потерь при той же передаваемой мощности необходимо уменьшить ток в линии электропередачи. Для этого напряжение в ЛЭП должно быть повышено. Эта задача решается с помощью трансформатора. Поэтому силовые трансформаторы являются необходимым элементом промышленных электрических сетей. В начале линии передачи со стороны генератора устанавливается повышающий трансформатор, который увеличивает напряжение в десятки раз, а в конце ЛЭП со стороны потребителей устанавливается понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до номинального напряжения потребителя.

В электротехнологии используются сварочные и печные трансформатор

Печные трансформаторы обеспечивают напряжение, необходимое для питания электродуговых и индукционных печей; сварочный трансформатор создаст напряжение, необходимое для горения электрической дуги в процессе электрической сварки.

Кроме того, трансформаторы разных типов широко применяются в различных областях электротехники, электроники, электротехнологии, в устройствах измерения и контроля, автоматического управления и др.

Трансформаторы разных типов имеет разные особенности конструкции и обладают разными характеристиками. Однако в основе работы всех трансформаторов лежит один принцип — индукционное действие магнитного поля (явление электромагнитной индукции).

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Устройство, принцип действия трансформатора

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Это явление предполагает наличие переменного магнитного поля. Для создания магнитного поля служит магнитная цепь. Поэтому основой устройства трансформатора является магнитная цепь, которая представляет из себя магнитопровод с электрическими обмотками.

Электромагнитная схема простейшего идеального трансформатора показана на рис.6.1. В таком трансформаторе магнитопроводом может быть прямоугольный ферромагнитный сердечник, на котором размещены две электрические обмотки. Каждая из обмоток имеет определенное количество витков охватывающих стержни магнитопровода.

Рис. 6.1. Электромагнитная схема идеального трансформатора Обмотка с числом витков называется первичной обмоткой и подключается к зажимам A-N источника электроэнергии переменного напряжения

Обмотка с числом витков называется вторичной. К зажимам вторичной обмотки подключается приемник электроэнергии с сопротивлением Под действием переменного напряжения источника в первичной обмотке возникает первичный ток Этот ток, замыкаясь по виткам первичной обмотки, создаст переменную магнитодвижущую силу (МДС) в магнитной цепи трансформатора. Под действием МДС возникает переменное магнитное поле. При этом магнитный поток , замыкаясь по ферромагнитному сердечнику, пронизывает все витки обеих обмоток. Согласно закону электромагнитной индукции переменный магнитный поток пронизывая витки обмоток, индуктирует в каждом из них ЭДС индукции е. Положительное направление ЭДС одного витка соотносится с направлением магнитного потока как обозначено на рис.6.1 . При этом се величина определяется скоростью изменения магнитного потока:

Тогда в первичной обмотке с числом витков w, создастся ЭДС индукции

пропорциональная числу витков

а во вторичной обмотке с числом витков создастся ЭДС , пропорциональная числу витков :

Вторичная ЭДС определяет напряжение на зажимах вторичной обмотки к которой подключен приемник, и ток приемника (вторичный ток) . Таким образом, приемник потребляет от трансформатора электрическую энергию. Соотношение по величине между первичным и вторичным напряжениями называется коэффициентом трансформации:

Для того, чтобы определить это соотношение запишем уравнения по 11 закону Кирхгофа для электрических контуров первичной и вторичной цепей, обозначенных на рис.6.1 пунктиром.

Уравнения (6.7), (6.8) называют уравнениями электрического состояния идеального трансформатора. Исходя из этих уравнений и с учетом (6.4), (6.5), коэффициент трансформации

т.е. коэффициент трансформации определяется соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток. Если число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной , вторичное напряжение меньше первичного у коэффициент трансформации , и такой трансформатор называют понижающим трансформатором.

Если число витков вторичной обмотки больше, чем в первичной , вторичное напряжение больше первичного , коэффициент трансформации , и такой трансформатор называют повышающим трансформатором. Трансформатор с одинаковым числом витков в обеих обмотках обладает коэффициентом трансформации . Такой трансформатор называют разделительным.

Таким образом, трансформатор посредством магнитной связи двух обмоток в магнитной цепи преобразует электрическую энергию источника с напряжением в электрическую энергию, отдаваемую приемнику с напряжением

При этом вторичное напряжение

Например, трансформатор, имеющий номинальное первичное напряжение = 220В, число витков первичной обмотки = 1300 витков и число витков вторичной обмотки = 213 витков, обладает коэффициентом трансформации = 1300 / 213 = 6,1 (понижающий трансформатор) и создаст вторичное напряжение = 220/ 6,1 = 36В.

Для обозначения трансформатора в электрических схемах используют его условное графическое обозначение, показанное на рис.6.2 .

Рис.6.2. Условное графическое обозначение трансформатора в схемах электрических цепей (а — развернутое, б — упрощенное)

Уравнения состояния трансформатора

Для математического описания режимов работы трансформатора используют уравнения электрического и магнитного состояния. Уравнения электрического состояния записываются по 11 закону Кирхгофа для электрических контуров первичной и вторичной цепей трансформатора. Например, для идеального трансформатора они имеют вид (6.7), (6.8):

Уравнение магнитного состояния составляется при анализе магнитной цепи трансформатора.

При этом следует подчеркнуть, что электрические цепи первичной и вторичной обмоток не соединены между собой. Они объединены общим магнитопроводом, образующим магнитную цепь.

Связь между первичной и вторичной цепями описывается уравнением магнитного состояния, составленным по закону полного тока (см. раздел «Магнитные цепи»).

В рассматриваемой электромагнитной схеме идеального трансформатора в качестве контура магнитного поля следует принять среднюю линию магнитопровода, по которому замыкается магнитный поток . В качестве проводников, пронизывающих этот контур, следует принять все витки первичной и вторичной обмоток с соответствующими направлениями токов в них. С учетом взаимного направления магнитного потока и токов в обмотках уравнение по закону полного тока имеет вид:

где — напряженность магнитного поля в магнитопроводе;

— длина средней линии магнитопровода (контур магнитной цепи).

Длина средней линии магнитопровода определяется его конструкцией. Напряженность магнитного поля где — сечение магнитопровода. Из теории магнитных цепей (см. раздел «Магнитные цепи») известно, что в магнитной цепи с переменной МДС величина магнитного потока определяется величиной напряжения источника приложенного к обмотке:

При достаточной мощности источника можно считать величину напряжения неизменной. При этом величина магнитного потока и напряженность магнитного поля в магнитопроводе также неизменны с изменением режима работы трансформатора. Поэтому в уравнении (6.11) левая часть не меняется с изменением режима работы.

Правая часть уравнения (6.11) зависит от режима работы. В частности, при отключенном приемнике возникает режим холостого хода, когда ток приемника (вторичный ток трансформатора) равен нулю ( = 0). Первичный ток в этом режиме называют током холостого хода . При этом в уравнении по закону полного тока (6.11) второе слагаемое в правой части равно нулю, а первое слагаемое определяется током холостого хода:

Из равенств (6.11) и (6.14) следует:

Преобразуя это уравнение, можно записать:

или

Полученное уравнение называют уравнением магнитного состояния трансформатора. Оно описывает соотношение между токами первичной и вторичной цепей трансформатора, объединенных магнитной цепью. С увеличением мощности приемника вторичный ток возрастает, при этом первичный ток также возрастает. Таким образом. Система уравнений электрического и магнитного состояния для идеального трансформатора имеет вид: Уравнения состояния трансформатора позволяют анализировать режимы его работы и его характеристики.

Особенности реального трансформатора

Для анализа реального трансформатора следует учитывать дополнительные особенности его работы, существенно влияющие на его характеристики.

Первая особенность состоит в следующем.

Как было показано ранее, обмотки трансформатора при совместном действии создают рабочий магнитный поток . Этот поток замыкается по магнитопроводу и обеспечивает магнитную связь первичной и вторичной цепей трансформатора.

В реальном трансформаторе помимо основного магнитного потока возникают дополнительные магнитные потоки. В частности, первичная обмотка создает дополнительный магнитный поток. Магнитный поток проходит через магнитопровод внутри обмотки и закрывается через воздуховод снаружи (рис. 6.3). Этот поток, в отличие от основного потока, не прилипает к вторичным обмоткам и не обеспечивает их магнитную связь. Его называют потоком рассеяния первичной обмотки . Вторичная обмотка также создаст поток рассеяния вторичной обмотки . Потоки рассеяния не обеспечивают магнитную связь первичной и вторичной обмоток, но индуцируют ЭДС самоиндукции каждый в своей обмотке, которые оказывают влияние на работу трансформатора и требуют их учета. Для учета этих явлений в электромагнитную схему трансформатора вводят индуктивные элементы с соответствующими индуктивными сопротивлениями рассеяния первичной и вторичной обмоток (рис.6.3). Рис.6.3. Электромагнитная схема реального трансформатора Вторая особенность реального трансформатора состоит в следующем. Обмотки трансформатора выполнены из реального электрического проводника, который имеет определенные диаметр и длину. Как известно, такие проводники имеют электрическое сопротивление, которое пропорционально длине проводника и обратно пропорционально поперечному сечению. Значительное количество обмоток может быть использовано для обмотки трансформатора. Кроме того, проводники, из которых они изготовлены, могут быть тонкими и очень длинными, и их электрическое сопротивление важно по сравнению с другими параметрами трансформатора. Это электрическое сопротивление обуславливает дополнительное напряжение, определяемое законом Ома, и требует его учета при анализе работы трансформатора. Для учета этой особенности в электромагнитную схему вводят резисторы с сопротивлениями первичной и вторичной обмоток

Таким образом, окончательно электромагнитная схема реального трансформатора с учетом его особенностей имеет вид, показанный на рис.6.3 .

Для учета указанных особенностей в уравнениях состояния трансформатора составим уравнения по II закону Кирхгофа для контуров первичной и вторичной обмоток в электромагнитной схеме на рис.6.3 .

Для первичного контура: Для вторичного контура: В этих уравнениях слагаемые определяют падение напряжения па собственных активном и индуктивном сопротивлениях обмоток, которые отражают особенности реального трансформатора.

С учетом соотношений по закону Ома на элементах выражения (6.21). (6.22) принимают вид: Уравнения (6.23), (6.24) описывают процессы в электрических цепях трансформатора.

Как следует из уравнений (6.23), (6.24), напряжение источника уравновешивается противоЭДС самоиндукции и падением напряжения на собственном активном и индуктивном сопротивлениях первичной обмотки . Напряжение вторичной обмотки определяется величиной ЭДС индукции вторичной обмотки за вычетом падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях вторичной обмотки .

Таким образом уравнения электрического и магнитного состояния, описывающие процессы в электрических и магнитной цепи реального трансформатора имеют вид (6.17), (6.23), (6.24):

Внешняя характеристика трансформатора

Как показано выше (6.10), номинальное вторичное напряжение трансформатора определяется номинальным первичным напряжением и коэффициентом трансформации. Однако это напряжение меняется с изменением режима работы трансформатора в определенных пределах. Режим работы трансформатора определяется величиной его нагрузки. Таким образом, вторичное напряжение трансформатора зависит от величины его нагрузки.

Нагрузку трансформатора создаст приемник электрической энергии, подключенный к зажимам его вторичной обмотки. Т.е. под величиной нагрузки следует понимать мощность этого приемника, которая определяется его напряжением и током : где — коэффициент мощности приемника.

При определенных допущениях можно пренебречь изменением напряжения . При этом можно считать, что мощность приемника пропорциональна току .

Тогда под величиной нагрузки можно понимать величину тока приемника (вторичный ток трансформатора).

Таким образом, изменение вторичного напряжения трансформатора при изменении режима его работы формально выражается зависимостью вторичного напряжения от вторичного тока

Эта зависимость называется внешней характеристикой трансформатора.

Аналитическое выражение внешней характеристики трансформатора определяется уравнением электрического состояния для вторичной цепи (6.26):

Из этого выражения следует, что с увеличением вторичного тока (увеличением нагрузки трансформатора) вторичное напряжение уменьшается. Это изменение вторичного напряжения определяется падением напряжения па собственном активном и индуктивном сопротивлениях обмотки . Графически эта зависимость показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Зависимость вторичного напряжения трансформатора от нагрузки

Режимы работы трансформатора

На рис. 6.4 показана зависимость вторичного напряжения трансформатора от величины нагрузки, охватывающая вес возможные режимы его работы.

Точка 1 этой кривой соответствует режиму при . Такой режим называется холостой ход трансформатора. Он возникает, когда приемник электроэнергии отключен от вторичной обмотки (На рис.6.5 выключатель в разомкнутом положении). Рис. 6.5 Холостой ход трансформатора В этом режиме трансформатор не создает электрическую энергию, которая передавалась бы приемнику. При этом электрическая энергия, потребляемая трансформатором от источника, невелика и расходуется на покрытие потерь холостого хода трансформатора. Ток. потребляемый первичной обмоткой от источника в этом режиме, называют ток холостого хода трансформатора . Его величина составляет от 2 до 5 % по отношению к номинальному первичному току. Как следует из уравнения внешней характеристики трансформатора (6.29), вторичное напряжение в режиме холостого хода, когда , оказывается максимальным и определяется только величиной вторичной ЭДС. Это значение принимают в качестве номинального вторичного напряжения трансформатора: Точка 3 кривой на рис.6.4 соответствует режиму, когда напряжение между зажимами вторичной обмотки Такой режим возникает, когда зажимы вторичной обмотки замкнуты между собой (рис.6.6). Рис.6.6. Короткое замыкание трансформатора

Этот режим называется короткое замыкание трансформатора.

При коротком замыкании можно принять сопротивление приемника

При этом вторичный ток ограничивается только небольшим собственным активным и индуктивным сопротивлениями вторичной обмотки. Поэтому вторичный ток короткого замыкания оказывается очень большим, во много раз превышающим номинальный ток. Такой большой ток обусловливает значительный перегрев обмотки и выход из строя трансформатора.

Ток первичной обмотки в этом режиме называется током короткого замыкания трансформатора. В соответствии с уравнением магнитного состояния трансформатора (6.27) ток короткого замыкания трансформатора также значительно превышает номинальный ток и приводит к перегреву трансформатора. Короткое замыкание — аварийный режим, возникающий вследствие неисправностей в электрической цепи приемника электроэнергии. Номинальный режим работы трансформатора ограничивается допустимым нагревом сто обмоток при номинальных токах. На рис. 6.4 номинальному режиму работы соответствует точка 2. При этом вторичный ток Рабочий диапазон режимов работы трансформатора определяется участком 1-2 на рис.6.4.

На рис.6.7. показана внешняя характеристика силового трансформатора общепромышленного назначения в его рабочем диапазоне.

Рис.6.7. Внешняя характеристика трансформатора Часто при анализе характеристик трансформатора для характеристики величины нагрузки используется относительный параметр, который называют коэффициентом нагрузки Его определяют как отношение вторичного тока в рассматриваемом режиме работы к его номинальному значению:

В режиме холостой ход, когда вторичный ток , коэффициент нагрузки = 0. В номинальном режиме работы = 1 . Таким образом, изменение режима работы трансформатора от холостого хода до номинального режима соответствует изменению коэффициента нагрузки от 0 до 1. Поэтому в некоторых случаях внешнюю характеристику определяют, как зависимость вторичного напряжения от коэффициента нагрузки трансформатора На рис.6.7 значения коэффициента нагрузки обозначены на дополнительной оси .

Как видно на рис.6.7, при изменении режима работы в диапазоне от холостого хода до номинального режима напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора уменьшается на . Изменение напряжения в номинальном режиме работы составляет от 4 до 10 % в зависимости от типа и мощности трансформатора.

Специальные трансформаторы могут иметь внешнюю характеристику другого вида. Например, сварочный и печной трансформаторы, предназначенные для питания электротехнологического оборудования, рассчитаны на работу в режимах, близких к короткому замыканию. Их внешняя характеристика может иметь вид, показанный на рис. 6.8.

Здесь номинальный ток близок к току короткого замыкания. При этом в конструкции предусматривается возможность изменения режима работы изменением внешней характеристики.

Потери энергии, КПД трансформатора

Как следует и определения трансформатора, он является устройством, преобразующим электрическую энергию. При таком преобразовании неизбежно возникают потери энергии, т.е. преобразование части энергии в тепло, которое нагревает устройство и рассеивается в окружающем пространстве. Величина этих потерь определяет коэффициент полезного действия трансформатора.

Потери энергии в трансформаторе складываются из двух основных составляющих, соответственно двум основным составляющим его конструкции: электрические потери в электрических обмотках трансформатора и магнитные потери в магнитопроводе.

На рис.6.9 показана энергетическая диаграмма трансформатора.

Рис.6.9. Энергетическая диаграмма трансформатора Здесь — активная мощность, потребляемая трансформатором от источника; — активная мощность, отдаваемая трансформатором приемнику; — электрические потери в обмотках трансформатора; — магнитные потери в магнитопроводе трансформатора; — дополнительные потери в остальных элементах конструкции, которые составляют до 10% всех потерь.

Электрические потери Как было отмочено выше, обмотки трансформатора, выполненные от реального проводника, обладают сопротивлениями . Известно, что при замыкании электрического тока по проводнику в нем создаются потери энергии. Эти потери определяются величиной тока в проводнике и его сопротивлением. В частности в первичной обмотке трансформатора с сопротивлением и током создаются потери: Во вторичной обмотке трансформатора с сопротивлением и током создаются потери:

Эти две составляющие (6.32) и (6.33) определяют электрические потери трансформатора:

В соответствии с (6.27) соотношение первичного и вторичного токов трансформатора:

Поскольку ток холостого хода составляет до 5% от номинального первичного тока, в этом соотношении им можно пренебречь. Тогда

С учетом этого соотношения выражение для электрических потерь (6.34) преобразуется к виду:

Выражая вторичный ток через коэффициент нагрузки (6.31), получаем:

Как видно из (6.37), (6.38), электрические потери зависят от величины нагрузки трансформатора, поэтому часто их называют переменной составляющей потерь. Электрические потери в режиме холостой ход равны нулю. В номинальном режиме работы:

Тогда в общем случае для любого режима работы трансформатора электрические потери

Номинальные электрические потери могут быть определены исходя из паспортных данных, либо опытным путем по результатам испытаний трансформатора.

Магнитные потери обусловлены переменным магнитным потоком в магнитной цепи трансформатора.

Известно (см. раздел «Магнитные цепи»), что ферромагнитном сердечнике при переменном магнитном потоке возникают потери па перемагничивание сердечника (потери па гистерезис) . Величина этих потерь определяется свойствами ферромагнитного материала сердечника. В частности, площадь петли гистерезиса определяет потери за один цикл перемагничивания единицы объема ферромагнитного материала. Ширина петли гистерезиса зависит от величины переменного магнитного потока Ф

Следовательно потери на гистерезис зависят от величины магнитного потока и его частоты

Частота изменения магнитного потока определяется источником электроэнергии. Как правило, в силовых трансформаторах частота стандартная . С изменением режима работы частота не меняется.

Величина магнитного потока определяется величиной напряжения источника приложенного к обмотке (см. раздел «Магнитные цепи»):

При неизменном напряжении источника величина магнитного потока тоже не меняется с изменением режима работы трансформатора.

Таким образом, при неизменной величине магнитного потока и частоте потери па гистерезис остаются неизменными при изменении режима работы трансформатора (изменении нагрузки).

Другая составляющая магнитных потерь обусловлена существованием в ферромагнитном сердечнике вихревых токов. При этом, как показано в разделе «Магнитные цепи», возникают потери от вихревых токов в магнитопроводе Эти потери определяют вторую составляющую магнитных потерь в трансформаторе. Величина этих потерь также зависит от величины магнитного потока Ф и его частоты Поскольку частота и величина магнитного потока не меняются с изменением режима работы, то и потери от вихревых токов остаются неизменными при изменении режима работы трансформатора (изменении нагрузки).

Таким образом, магнитные потери в трансформаторе складываются из двух составляющих — потерь на гистерезис и потерь от вихревых токов

Обе составляющие не зависят от режима работы трансформатора. Поэтому их называют постоянными потерями. Т.е. в номинальном режиме работы их величина такая же. как и в режиме холостого хода и, следовательно определяются мощностью холостого хода трансформатора:

Мощность холостого хода и, следовательно, магнитные потери могут быть определены исходя из паспортных данных, либо опытным путем по результатам испытаний трансформатора.

Для уменьшения магнитных потерь сердечник магнитопровода изготавливают из специальной электротехнической стали с низкими удельными потерями на гистерезис. При этом конструктивно он состоит из тонких листов, электрически изолированных друг от друга для исключения потерь от вихревых токов.

Кроме основных составляющих потерь в трансформаторе существуют дополнительные потери, возникающие в других элементах конструкции. Они обусловлены в основном потоками рассеяния в стальных элементах конструкции. Дополнительные потери составляют до 10% суммарных потерь и анализе характеристик ими можно пренебречь. Коэффициент полезного действия трансформатора определяется соотношением потерь и полезной мощности:

Полезная мощность трансформатора определяется напряжением и током приемника:

Пренебрегая изменением вторичного напряжения, можно принять . С учетом коэффициента нагрузки выражение (6.47) запишется в виде:

С учетом (6.40) и (6.48) выражение для принимает вид:

График зависимости КПД силового трансформатора от нагрузки показан на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Зависимость КПД от нагрузки

В режиме холостого хода КПД трансформатора . Мощность холостого хода , потребляемая трансформатором в этом режиме, расходуется на компенсацию магнитных потерь. С увеличением нагрузки в достаточно небольшом диапазоне (приблизительно = 0,2) КПД достигает больших значений. В остальной части рабочего диапазона КПД трансформатора держится на высоком уровне. В режимах, близких к номинальному. КПД трансформатора

Паспортные данные трансформатора

Паспортные данные трансформатора определяют его поминальный режим работы, позволяют рассчитывать характеристики, анализировать режимы его работы.

В табл. 1 приведен перечень параметров трансформатора, составляющих его паспортные данные.

Номинальная мощность трансформатора — электрическая полная мощность, определяемая произведением величии поминального первичного напряжения и номинального первичного тока, или произведением номинального вторичного напряжения и номинального вторичного тока: Табл. 1

Номинальное первичное напряжение — напряжение источника, к которому

Номинальное вторичное напряжение — напряжение на зажимая вторичной обмотки в режиме холостой код при номинальном первичном напряжении.

Соотношение поминальных первичного и вторичного напряжений определяет коэффициент трансформации:

Мощность холостого хода — активная мощность, потребляемая трансформатором от источника в режиме холостой ход.

Ток холостого хода — первичный ток трансформатора в режиме холостого хода, выраженный в процентах по отношению к номинальному первичному току.

Напряжение короткого замыкания — напряжение па первичной обмотке трансформатора в опыте короткого замыкания (см. далее), выраженное в процентах по отношению к номинальному первичному напряжению.

Мощность короткого замыкания активная мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания (см. далее).

Паспортные данные трансформатора определяются при его проектировании и разработке, уточняются про контрольных испытаниях и указываются в техническом паспорте трансформатора. Для типовых трансформаторов серийного производства паспортные данные указываются в каталогах оборудования.

Экспериментальное определение паспортных данных трансформатора

Кроме того, паспортные данные могут быть определены экспериментальна по результатам опыта холостого хода и опыта короткого замыкания трансформатора. Опыт холостого хода трансформатора

Холостой ход трансформатора — это режим работы, при котором первичная обмотка подключена к источнику электроэнергии с номинальным напряжением — а приемник отключен от трансформатора (зажимы вторичной обмотки разомкнуты).

Схема цепи для проведения опыта холостого хода показана на рис. 6.11.

Здесь Т испытуемый трансформатор. Для выполнения измерений в электрическую цепь первичной обмотки включают измерительные приборы: вольтметр к зажимам источника для измерения первичного напряжения, амперметр для измерения тока холостого хода, ваттметр для измерения мощности холостого хода. К вторичной обмотке подсоединяют вольтметр для измерения вторичного номинального напряжения.

Вольтметр контролирует напряжение источника, которое устанавливают равным номинальному напряжения) .

При этом вольтметр показывает вторичное напряжение холостого хода, которое принято за номинальное (см. (6.30))

Амперметр показывает ток холостого хода который определяет паспортное значение :

где номинальный первичный ток трансформатора, определяемый, исходя иэ (6.50):

Ваттметр показывает мощность холостого хода трансформатора , которая соответствует песпортиому значению. В соответствия о (6.45) мощность холостого хода определяет магнитные потери в трансформаторе:

Опыт короткого замыкания трансформатора

Режим короткого замыкания возникает, когда зажимы вторичной обмотки трансформатора замкнуты между собой (см. рис.6.6).

Короткое замыкание — аварийный режим, возникающий вследствие неисправностей в электрической цепи приемника электроэнергии при номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Токи трансформатора в этом режиме ограничиваются лишь небольшим собственным сопротивлением (активным и индуктивным) обмоток и значительно превышают номинальные значения. Это приводит к перегреву трансформатора и его разрушению.

Такой режим в работе трансформатора недопустим!

Чтобы не допускать аварийного режима опыт короткого замыкания проводится при пониженном напряжении на зажимах первичной обмотки. Для этого трансформатор подключается к источнику электроэнергии через регулятор напряжения. который позволяет менять напряжение, уменьшая его до необходимой величины.

Схема цепи для проведения опыта короткого замыкания показана на рис. 6.12. Рис. 6.12. Схема цени в опыте короткого замыкания Здесь Т испытуемый трансформатор. — регулятор напряжения. Зажимы вторичной обмотки замкнуты между собой.

Для выполнения измерений в электрическую цепь первичной обмотки включают измерительные приборы: вольтметр к зажимам регулятора для измерения первичного напряжения, амперметр для измерения тока, ваттметр для измерения мощности короткого замыкания.

Регулируя напряжение из первичной обмотки трансформатора, устанавливают такую его величину, про которой первичный ток равен поминальному:

Величину тока контролируют амперметром, включенным в цепь первичной обмотки. При этом нагрев трансформатора соответствует номинальному режиму и аварии не происходит.

При этом вольтметр показывает первичное напряжение, которое в этом опыте называют напряжением короткого замыкания трансформатора . Оно определяет паспортное значение :

Величина напряжения короткого замыкания силового трансформатора значительно меньше номинального значения и составляет от 4 до 10 % в зависимости от типа и мощности трансформатора.

Ваттметр, включенный в цепь первичной обмотки, показывает активную мощность потребляемую трансформатором в опыте короткого замыкания. Очевидно, эта мощность определяется потерями трансформатора в это опыте.

Потерн трансформатора, как было показано ранее, складываются из двух составляющих: электрические потери и магнитные потери

Магнитные потери определяются величиной напряжения па первичной обмотке. Поскольку напряжение короткого замыкания невелико по сравнению с номинальным значением, то, очевидно, магнитные потери в этом опыте незначительны и ими можно пренебречь.

Электрические потери в соответствии с (6.37) определяются величиной тока:

В опыте короткого замыкания устанавливается номинальный ток трансформатора. Поэтому электрические потери в этом опыте равны поминальным электрическим потерям:

Таким образом, мощность короткого эамыкэния определяет номинальные электрические потери :

Таким образом, опыты холостого хода я короткого замыкания поздоляюг экспернментально определить паспортные данные трансформатора.

Построение характеристик трансформатора по паспортным данным

Паспортные данные трансформатора позволяют отроить его характеристики, аоааиздроеать режимы его работы.

В частности, зависимость КПД от нагрузки трансформатора в соответствия с (6.49):

С учетом (6.54). (6.59):

Выражение (6.61) позволяет по паспортным данным трансформатора рассчитать зависимость его КПД от величины нагрузки при заданном коэффициенте мощности приемника

Также по паспортным данным может быть рассчитана внешняя характеристика трансформатора Для этого может использоваться следующее аналитическое выражение, полученное при анализе уравнений электрического состояния трансформатора:

Примечение: выражение (б. 62) приводится в качестве справочноо материала.

Параметры, содержащиеся в выражений (6.62), могут быть определены по результатам опыта короткого замыкания иля паспортным данным:

— коэффициент мощности приемника определяется характером приемника.

Особенности конструкции трансформаторов

Сердечник (магнитопровод, трансформатора изготавливают из листовой электротехнической стали, имеющей малые потери на перемагничивание и на вихревые токи. Отдельные листы стали изолируют слоем лака, после чего стягивают болтами. Такое устройство применяется для уменьшения вихревых токов, индуктируемых в стали переменным потоками и обуславливающих магнитные потери.

По форме мапштопровода различают два типа трансформатора: броневые и стержневые. На рис. 6.13а изображен броневой трансформатор, или трансформатор с Ш-образным сердечником, а на рис. 6.136 — стержневой трансформатор с П-образным сердечником. Рис. 6.13. Форма магнитопровода трансформатора.

а — Броневой трансформатор, б — Стержневой трансформатор

Обмотки трансформатора могут располагаться на разных стержнях магнитопровода (рис. 6.136), либо на одном стержне (рос. 6.13а). В последнем случае обмотка низкого напряжения располагается ближе к сердечнику, а обмотка высокого напряжения располагается поверх обмотки низкого напряжения. В силовых трансформаторах большой мощности его электромагнитное ядро (магнитопровод с обмотками) помещают в масляный бак, заполненный специальным трансформаторным маслом (рис.6.14). Трансформаторное масло служит для отвода тепла, возникающего в результате потерь энергии в трансформатора. Для интенсивного охлаждения бак может быть снабжен радиаторами, охладителями и т.п. Выводы обмоток крепятся к крышке бака посредством изоляторов.

Как видно по внешней характеристике (рис. 6.7), напряжение на выходе трансформатора меняется с изменением нагрузки. Для поддержания вторичного напряжения на необходимом уровне в обмотке трансформатора могут быть предусмотрены регулировочные витки с переключателем Q (рис. 6.15). Переключение числа витков позволяет регулировать напряжение трансформатора, поддерживая его на необходимом уровне. Рио. 6.15 . Трансформатор с регулированием напряжения

Специальные типы трансформаторов

В электротехнических установках используются некоторые специальные типы трвиеформаторол: автотрансформаторы, многообмоточные трансформаторы, трехфззиыс трансформаторы.

Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого имеется только одна обмотка с числом витков . Часть этой обмотки с числом витков принадлежит одновременно первичной и вторичной цепям. Схема такого автотрансформатора изображена на рис. 6.16. Рис. 6.16. Автотрансформатор

Напряжение источника приложено ко всем воткем обмотки

Вторичное напряжение определяется частью обмотки с числом витков . При этом коэффициент трансформации:

Автотрансформаторы выгодно использовать в тех случаях, когда коэффициент трансформации близок к единице. Многообмоточные трансформаторы имеют одну первичную обмотку и насколько вторичных обмоток с разными числами витков (рис.6.17). Рис.6.17. Многообмоточный трансформатор Все обмотки располагаются на одном магнитопроводе. Разные вторичные обмотки обеспечивают разный коэффициент трансформации и создают разное по величине напряжение.

Такие трансформаторы используются в радиотехнических схемах для получения нескольких напряжений. В трехфэзной сети переменного токэ изменение напряжений осуществляется с помощью трехфазното силового трансформатора с общим для трех фаз сердечником (рис.6.18). Рис.6.18. Устройство трехфазного трансформатора

В трехфазном трансформаторе с общим магнитопроводом магнитный поток любой на фаз может замыкаться через стержни, на которых расположены обмотки двух других фаз. Потребление стали трехфазного трансформатора значительно ниже, чем потребление стали трех однофазных трансформаторов. Это делает его простым, дешевым и эффективным. Первичные и вторичные обмотки трех фаз соединяют между собой способами «звезда” или «треугольник». Например, на рис. 6.19 показано условное обозначение трехфазного трансформатора с группой соединения обмоток «звезда 7 звезда с нейтралью» . Общий вид трехфазного маслянного трансформатора показан на рис. 6.14.

Рис. 6.19. Условное обозначение трехфазного трансформатора

На странице -> решение задач по электротехнике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам теоретических основ электротехники (ТОЭ).

Услуги:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Учебные материалы

Однофазный трансформатор имеет замкнутый ферромагнитный сердечник, на который намотаны первичная и вторичная обмотки с числом витков W₁ и W₂.

Для уменьшения вихревых токов ферромагнитный сердечник набирается из отдельных пластин электротехнической трансформаторной стали толщиной 0,35 или 0,5 мм.

На схеме трансформатора приняты условно положительные направления всех величин, характеризующих электромагнитные процессы в трансформаторе, исходя из предпосылки, что первичная обмотка трансформатора является приемником электрической энергии, а вторичная обмотка является источником.

Работа трансформатора основана на законе электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I₁, который создает в сердечнике (магнитопроводе) переменный магнитный поток. Замыкаясь в сердечнике, этот поток сцепляется с первичной и вторичной обмотками и индуцирует в них ЭДС, пропорциональные числу витков W:

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции

При подключении нагрузки Z_н к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС в обмотке потечет ток I₂, а на выводах установится напряжение U₂.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН). Обмотку, подключенную к сети меньшего напряжения, называют обмоткой низшего напряжения (НН).

Коэффициентом трансформации К трансформатора называют отношение ЭДС обмотки ВН (числа витков W_вн) к ЭДС обмотки НН (числа витков W_нн):

Трансформаторы обладают свойством обратимости, то есть один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего.

Трансформатор – это аппарат переменного тока и на постоянном токе не работает, так как протекающий по первичной обмотке постоянный ток будет создавать постоянный магнитный поток. В соответствии с законом электромагнитной индукции поток должен изменяться как по величине, так и по направлению.

В режиме нагрузки трансформатора первичный и вторичный токи I₁, I₂ кроме основного магнитного потока Ф_о, создают магнитные потоки рассеяния Ф σ ₁ и Ф σ ₂ , влиянием которых обусловлено существование индуктивных сопротивлений первичной и вторичной обмоток трансформатора Х₁ и Х₂.

Активное и полное сопротивления первичной обмотки трансформатора обозначаются R₁ и Z₁, а вторичной -R₂ и Z₂.

Работа трансформатора в общем случае описывается системой уравнений:

где I₀ – ток холостого хода.

Уравнение (1) и (2) представляют собой уравнения равновесия ЭДС первичной и вторичной обмоток, уравнение (3) представляет собой уравнение равновесия намагничивающих сил (I ⋅ W) трансформатора. Намагничивающая (магнитодвижущая) сила это произведение тока на число витков обмотки.

Выполнив преобразования в уравнении (3) получим:

Из уравнения (4) следует, что ток I₁ первичной обмотки трансформатора можно рассматривать состоящим из двух составляющих: одна составляющая I₀ определяет, основной магнитный поток Ф₀, а вторая составляющая

компенсирует размагничивающее действие тока I₂ вторичной обмотки. Из сказанного следует, что магнитный поток в трансформаторе не зависит от тока нагрузки и пропорционален приложенному напряжению.

Если пренебречь током холостого хода I₀ (составляет несколько процентов I₁) трансформатора, протекающего по первичной обмотке (при разомкнутой вторичной обмотке), то можно считать токи, в обмотках трансформатора обратно пропорциональными числам витков.

Возможны следующие режимы работы трансформатора:

режим холостого хода;
режим короткого замыкания (аварийный режим и опыт короткого замыкания);
режим нагрузки.

В режиме холостого хода трансформатор работает при разомкнутой вторичной обмотке.

При этом существуют следующие соотношения:

Мощность холостого хода Р₀, потребляемая трансформатором из сети, определяется в основном потерями в стали Р_с сердечника.

P₀ ≈ P_c (составляет 1-2% номинальной мощности)

Потери в стали складываются из потерь на перемагничивание ферромагнитного материала сердечника и потерь на вихревые токи, которые наводятся в сердечнике в соответствии с законом электромагнитной индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник изготавливают из тонких пластин (0,3-0,5 мм), изолированных друг от друга.

Опыт холостого хода трансформатора проводится для определения коэффициента трансформации К и мощности электрических потерь в стали сердечника.

Опыт короткого замыкания трансформатора проводится для определения мощности электрических потерь в обмотках трансформатора (потерь в меди Р_м). При проведении опыта короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко, при этом к первичной обмотке подводится пониженное напряжение U_1К, составляющее 5-10% от номинального. Во время проведения опыта контролируют токи в обмотках трансформатора и прекращают опыт, когда токи в обмотках достигнут номинальных значений.

В паспортные данные трансформатора заносится ток холостого хода в процентах от номинального значения, мощность потерь в обмотках и напряжение в опыте короткого замыкания, выраженное в процентах от номинального.

Режимом нагрузки трансформатора называется такой режим его работы, когда вторичная обмотка подключена на сопротивление нагрузки Z_н.

Мощность Р₁, потребляемая трансформатором из сети в режиме нагрузки определяется по формуле:

где Р₂ — мощность нагрузки;

ΣР – суммарные потери трансформатора (в стали и меди).

Коэффициент полезного действия трансформатора

имеет максимальное значение при равенстве потерь в проводах обмоток и потерь в стали сердечника

Трансформатор конструируется так, чтобы η _max имел место при наиболее вероятной нагрузке составляющей (0,5 – 0,75) Р₂ _ном..

У работающего под нагрузкой трансформатора напряжение вторичной U₂ отличается от напряжения холостого хода U₂₀ на величину падения напряжения на полном сопротивлении его вторичной обмотки

которая называется изменением напряжения трансформатора

Для трансформаторов, выпускаемых промышленностью, величина Δ U составляет 6-8 % от U_{2 ном}. (вторичного номинального напряжения). Полезно знать, что по напряжению короткого замыкания U_1к, полученного в опыте короткого замыкания, можно судить об отклонении напряжения вторичной обмотки трансформатора от его номинального значения при номинальном токе (нагрузке).

Изменение напряжения в трансформаторе зависит не только от значений токов первичной и вторичной обмоток I₁ и I₂, но и от рода нагрузки (активной, индуктивной или емкостной).

Внешняя характеристика трансформатора это зависимость напряжения U₂ вторичной обмотки от протекающего по ней тока I₂, U₂=f(I₂).

Рис. 13. Внешняя характеристика трансформатора

Векторную диаграмму трансформатора строят на основании уравнений равновесия ЭДС первичной и вторичной обмоток и уравнения равновесия намагничивающих сил трансформатора (уравнения 1, 2, 3).

Уважаемые студенты!
Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь в учёбе по разным предметам:
✔ Решение задач
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Принцип действия однофазного трансформатора: основные характеристики и режимы работы

Что такое однофазный трансформатор

Электроэнергия, вырабатываемая генераторами заводов, передается потребителям, которые в большинстве случаев находятся на большом расстоянии от заводов. Для удешевления передачи электроэнергии и уменьшения потерь энергии в ней необходимо увеличить напряжение передачи электроэнергии до сотен киловольт. При распределении энергии между потребителями необходимо снизить напряжение до десятков и сотен вольт. Все это заставляет многократно изменять (преобразовывать) напряжение, которое выполняют трансформаторы

Трансформатор – это статический аппарат, который имеет две (иногда больше) обмотки, соединенные переменным магнитным полем, которое служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения с постоянной частотой.

Количество преобразований от станции к потребителю обычно велико и поэтому на 1 кВт мощности генераторов, установленных на станции, приходится 4-5 кВА установленной мощности трансформаторов. Суммарные потери электроэнергии в трансформаторах составляют значительную часть потерь всей энергосистемы. Поэтому необходимо, чтобы трансформатор имел очень высокий КПД. У современных трансформаторов большой мощности КПД достигает 0,995 при номинальной мощности.

Изобретателем трансформатора был выдающийся конструктор и ученый П. Н. Яблочков (1847 – 1894).

Рис. 2. Однофазный трансформатор.

1 – магнитопровод; 2 – обмотка высокого напряжения; 3 – обмотка низкого напряжения; 4 – полезный проточный тракт; 5 – тракт рассеивающих потоков первичной обмотки; 6 – тракт рассеивающих потоков вторичной обмотки.

Устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Работа трансформатора основана на использовании явления взаимной индукции. Трансформатор (рис. 9-1) обычно имеет две обмотки с магнитной связью 2-2 и 3-3 с разным числом витков, расположенные для усиления магнитной связи на стальной замкнутой магнитной цепи – сердечник 1. Сердечник набирается для снизить потери энергии от вихревых токов от стальных листов толщиной 0,5-0,35 мм, а при более высокой частоте тока – от более тонких листов (0,2-0,1 мм). Перед сборкой листы окрашивают с двух сторон, чтобы изолировать их друг от друга. Трансформаторная сталь содержит 4-5% кремния, при этом значительно снижаются потери на гистерезис и вихревые токи.

Те части сердечника, на которых расположены обмотки, называются стержнями, а части, замыкающие их, – ярмами. Внутреннее пространство между стержнем и ярмом используется для размещения обмоток и называется окном.

Сердечник собирается внахлест. На рис. 3 показаны два слоя листов, которые накладываются друг на друга во время сборки сердечника трансформатора. Такая сборка позволяет получить минимальный воздушный зазор в стыках.

Листы предварительно стягиваются изолированными болтами в пакетах, сначала так, чтобы изготовленные обмотки можно было разместить на стержнях (рис. 9-3), а затем, наконец, чтобы после установки обмоток замыкался магнитопровод. Полученное при этом сечение стержней показано на рис. 9-4 – маломощный квадрат, или крестообразный, приближающийся к окружности, с трансформаторами средней и большой мощности.

Обмотки трансформатора представляют собой катушки разной конструкции. Различают обмотку низкого напряжения (НН), рассчитанную на более низкое напряжение трансформатора, которая размещена ближе к сердечнику, и обмотку высокого напряжения (ВН), рассчитанную на более высокое напряжение и размещенную над сердечником обмотка (LV), концентрично ей.

На рис. 2 обмотки ВН и НН показаны смещенными относительно друг друга для упрощения чертежа. В однофазных трансформаторах (рис. 2) каждая обмотка делится пополам и размещается на двух стержнях. Обе половины обмотки НН и обмотки ВН соединены так, что и т.д. Половина обмоток согнута.

Начало и конец обмоток трансформатора обозначают буквами латинского алфавита. Начало обмоток – L, B, C и a, b, c, а концы – X, Y, Z и x, y, z. Для обмотки высокого напряжения приняты прописные буквы, для обмотки низкого напряжения – строчные (рис. 2).

Обмотка, на которую подается питание, называется первичной, а та, от которой питание поступает к потребителю, – вторичной. Энергия передается от первичной обмотки к вторичной обмотке с помощью магнитного потока, соединяющего обмотки. Если напряжение вторичной обмотки ниже, чем напряжение первичной, трансформатор называют понижающим трансформатором; в противном случае он увеличится.

Поэтому трансформатор, показанный на рис. 2 – вниз. Однако, если энергия подается на обмотку ah при номинальном напряжении для этой обмотки и к обмотке AX подключен потребитель, трансформатор поднимется.

Стержневой трансформатор

Трансформатор с сердечником описанного выше типа называется стержневым трансформатором. Однако есть бронированные трансформаторы (рис. 5), в которых магнитопровод разветвляется и покрывает обмотки, как если бы это был якорь.

Обмотки ВН и НН таких трансформаторов выполнены в виде плоских катушек, расположенных на одном стержне. Бронированные трансформаторы используются, например, в радиотехнических устройствах.

Номинальная мощность трансформатора – это мощность его вторичной обмотки, указанная на экране трансформатора и выраженная в вольт-амперах или киловольт-амперах.

Трансформатор Автотрансформатор

Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника С, собранного из листового металла (для уменьшения потерь на вихревые токи), на котором расположены две обмотки: первичная К1, которая подключена к электросети, и вторичная К2, к которой она подключена. Загрузка.

Пренебрегая падением напряжения на активном сопротивлении обмоток, мы можем уравнять и т.д. С напряжением самоиндукции, приложенным к первичной обмотке, и т.д. С индукцией во вторичной обмотке – напряжением на ее выводах, следовательно

E2 / E1 = U2 / U1 = n2 / n1, т.е напряжения в обмотках трансформатора прямо пропорциональны количеству их витков. Отношение числа витков n1 первичной обмотки к числу витков n2 вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации k:

k = n1 / n2 = U1 / U2.

Если пренебречь потерями в трансформаторе, то мощность тока в первичной и вторичной обмотках можно считать равной, и поэтому токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны количеству витков:

I1 / I2 = n2 / n1 = U2 / U1

Трансформаторы являются неотъемлемой частью почти всех радиоустройств, электромедицинских устройств и т.д. В этом случае часто используется автотрансформатор, устройство, похожее на трансформатор, но только с одной обмоткой, в которой выполняются функции первичной и первичной обмоток вторичные обмотки трансформатора совмещены. Пусть обмотка автотрансформатора имеет n витков. Напряжение питания U1 подается на n1 витков обмотки.

Нагрузка подключается к клеммам n2 витками. Катушки n1 первичные. Ток в первичных витках формирует магнитный поток в сердечнике, связанный со всеми n витками обмотки. В этом случае электродвижущая сила индуцируется во всех n витках, которые в n1 витках и т.д. Связаны с самоиндукцией, а в остальных витках – и т.д. С индукцией. Электродвижущая сила в каждом кольце имеет одинаковое значение Ei и одинаковое направление. Итак, подключив нагрузку к n2 виткам, которые являются вторичными витками (неважно, n2> n1 или n2> n1), получается напряжение на нагрузке:

При этом приложенное напряжение U1 уравновешивается обратной электродвижущей силой самоиндукции, возбуждаемой за n1 витков, то есть U1 = Ein1. Следовательно, вы можете создать отношения, похожие на трансформер:

U2 / U1 = EiN2 / Ein1 = n2 / n1

Автотрансформатор

Автотрансформатор часто используется для регулирования напряжения или для обеспечения нормального напряжения на нагрузке (радиоприемники, телевизоры, электронные медицинские устройства и т.д.) во время колебаний напряжения в сети. В этом случае обмотка автотрансформатора имеет несколько отводов, которые подключаются к контактам переключателя.

Напряжение сети подается на начало обмотки и на средний контакт переключателя P. Нагрузка переключается между крайним выводом и подвижным контактом переключателя. Если переключатель расположен на среднем контакте, напряжение питания будет подаваться на нагрузку без изменений. Если напряжение в сети ниже нормального, переведите переключатель на большее количество оборотов.

Когда напряжение в сети выше нормального, верно обратное. Для удобства настройки к выходу автотрансформатора подключен вольтметр. В лабораторных работах часто используется автотрансформатор с плавной регулировкой вторичного напряжения в широком диапазоне.

Конструкция однофазного трансформатора

Любой однофазный трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Благодаря этому результирующее электрическое напряжение изменяется до желаемого значения. Полученный таким образом ток увеличивается за счет того, что мощность эффективно передается без потерь. Из этого следует, что основное использование такого устройства – получение напряжения, необходимого для решения проблемы, после чего его можно использовать для определенных целей.

Разобраться в работе устройства поможет подробный анализ конструкции трансформатора. Он состоит из следующих основных частей:

Сердечник из материалов с ферромагнитными свойствами;
Две катушки, вторая на отдельной раме;
Защитный чехол (имеется не во всех моделях).

Конструкция однофазного трансформатора

Из чего состоит трансформатор

Сердечник каждого трансформатора – это замкнутый сердечник, который действует как магнитная цепь. Для его изготовления используется электротехническая сталь в виде листов, толщиной 0,35 – 0,5 мм. Изолированные медные провода наматываются на магнитопровод.

Участки сердечника с витками называются стержнями, а участки без витков – ярмами. Обмотка, на которую подается электричество, называется первичной. Другая обмотка, из которой выходит преобразованный ток, называется вторичной обмоткой. Оба разделены электрической изоляцией, за исключением автоматических трансформаторов.

Назначение и устройство

Любой однофазный трансформатор на 220 Вольт – это электрическое устройство, которое работает только в цепях переменного тока. С его помощью происходит преобразование входного напряжения в нужное значение (чаще всего оно уменьшается). В этом случае ток, снимаемый со вторичной обмотки, увеличивается, так как мощность передается практически без потерь. Отсюда следует, что основное назначение этого устройства – получить необходимое напряжение для поиска неисправностей, а затем использовать его для определенных целей.

Знание конструкции трансформатора, который состоит из следующих основных элементов, поможет получить более полное представление:

ферромагнитный сердечник;
первичная и вторичная батареи, размещенные на изолированном каркасе;
защитный чехол (в некоторых моделях этот элемент отсутствует).

В некоторых образцах вместо ферромагнетиков используется электросталь или пермаллой. Выбор конкретного типа материала сердечника зависит от области использования самого изделия.

Принцип работы

Однофазный трансформатор работает по определенному закону, при котором переменное электромагнитное поле, текущее в цепи, индуцирует электродвижущую силу в проводнике, расположенном поблизости. Действие называется законом электромагнитной индукции, открытым Майклом Фарадеем в 1831 году. В результате подтверждения закона ученый создал общую теорию, которая используется в работе огромного количества современных электрических устройств.

Когда первичная обмотка подключена к источнику переменного тока, в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает переменный магнитный поток в сердечнике (магнитопроводе). Замыкаясь в сердечнике, этот поток блокируется с первичной и вторичной обмотками и наводит в них ЭДС, пропорциональную количеству витков W.

Принцип работы трансформатора

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции: во вторичной обмотке ЭДС взаимной индукции: При подключении к вторичной обмотке I2 потечет к нагрузке и установится U2.

Виды трансформаторов

Современные устройства-трансформеры имеют множество разновидностей и используются в самых разных областях.

Силовые трансформаторы

Дистанционная передача электроэнергии осуществляется с помощью силовых трансформаторов. Эти низкочастотные устройства выполняют прием и преобразование. Свое название они получили благодаря работе с напряжением, которое может достигать более 1000 киловольт.

В городах такие трансформаторы понижают напряжение до 0,4 кВ, превращая его в 380 или 220 вольт, которые необходимы для нормального потребления. Эти устройства оснащены двумя, тремя и более обмотками, что позволяет одновременно преобразовывать напряжение от нескольких генераторов. Нормальный температурный баланс поддерживается с помощью трансформаторного масла, а в особо мощных устройствах дополнительно устанавливается активная система охлаждения.

Сетевые трансформаторы

До недавнего времени однофазные сетевые трансформаторы устанавливались практически во всех электрических устройствах. С помощью этих устройств нормальное сетевое напряжение 220 вольт было снижено до необходимого уровня 5, 12, 24 и 48 В.

В сетевых трансформаторах практиковалось устанавливать одновременно несколько вторичных обмоток. Эта конструкция подавала питание на разные части схемы от разных источников питания одновременно. Например, в схемах с радиолампами обязательно присутствовал трансформатор накаливания.

В современных устройствах этого типа используются W-образные, тороидальные или стержневые сердечники. В их основе лежат листы из электротехнической стали. Благодаря тороидальной форме магнитопровода трансформаторы более компактны, обмотка проходит по всей поверхности, не оставляя пустых участков ярма.

Автотрансформаторы

Автотрансформаторы – это также низкочастотные устройства, в которых первичная и вторичная обмотки дополняют друг друга. Между ними существует не только магнитная, но и электрическая связь. Одна обмотка оснащена несколькими выводами одновременно, что позволяет получать разные значения напряжения. Эти устройства имеют более низкую стоимость, поскольку для обмоток требуется меньше проволоки и для сердечника меньше стали. Следовательно, общий вес устройства также уменьшается.

Режимы работы

Как и любое преобразовательное устройство, трансформатор имеет два режима работы:

так называемые «неактивные»;
режим загрузки.

В режиме ожидания устройство работает без нагрузки и потребляет минимум рассеиваемой мощности только в первичной обмотке. Ток в нем также минимален и обычно не превышает 3-10% от наблюдаемого значения при подключенной нагрузке. Во втором случае в витках вторичной обмотки начинает течь ток, величина которого обратно пропорциональна количеству витков катушки.

В понижающем трансформаторе напряжение ниже, а ток выше. В этом режиме мощность передается на нагрузку с учетом тепловыделения в сердечнике трансформатора.

В чем его достоинства и недостатки

Любое электрическое устройство имеет ряд достоинств и недостатков. Однофазные электрические трансформаторы – не исключение. У них больше преимуществ, чем недостатков. Основные из них:

имеют один из самых высоких коэффициентов полезного действия (КПД), который составляет 98 %;
отлично охлаждаются и обладают большей устойчивостью к перегрузкам и кратковременным скачкам напряжения;
экологическая безопасность сухого вида. Они не содержат масла, а значит, ничто не может нанести вред окружающей среде даже после утилизации;
нет необходимости соблюдать особые противопожарные меры в местах установки трансформаторов;
относительно небольшой размер, позволяющий устанавливать устройства в небольших помещениях.

Эти устройства не лишены ряда недостатков, которые зависят от типа и места применения:

сложное обслуживание, если прибор в масле. Его необходимо регулярно проверять на предмет отказов и протечек резиновых уплотнителей, замена которых достаточно сложна;
сухие однофазные приборы плохо переносят повышенную влажность, ветер, химические и физические воздействия, а также загрязнения;
высокая стоимость сухих трансформаторов по сравнению с масляными.

Обычное устройство для однофазных сетей

Устройство и принцип работы однофазного двухобмоточного трансформатора

Назначение, область применения и классификация трансформаторов

Трансформатор – это электромагнитное устройство, используемое для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения без изменения частоты.

Необходимость преобразования, то есть увеличения и уменьшения переменного напряжения, вызвана необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Чем выше значение передаваемого напряжения, тем меньше ток при той же мощности генератора. Следовательно, для передачи энергии потребуются провода меньшего сечения, что приведет к экономии цветных металлов, снижению веса и стоимости линий электропередачи (ЛЭП). Кроме того, с уменьшением тока потери мощности в линиях передачи уменьшаются ∆P = I2Rl.

По применению трансформаторы можно разделить на следующие типы:

1. Силовые трансформаторы, используемые в сетях передачи и распределения.

2. Автотрансформаторы с постепенной регулировкой выходного напряжения и используемые для его изменения (регулирования).

3. Измерительные трансформаторы, используемые как элементы измерительных приборов.

4. Трансформаторы специального назначения (печь, пайка, пик, изоляция и т.д.)

Используемые в настоящее время изоляционные материалы позволяют повысить напряжение в ЛЭП до 1250 кВ.

Трансформатор состоит из ферромагнитного (стального) сердечника (ФМС) и двух обмоток: первичной с числом витков W1, на которую подается напряжение источника U1, и вторичной – с числом витков W2, на клеммах которых напряжение U2 Сердечник трансформатора собирается из отдельных листов электротехнической стали (толщиной 0,3-0,5 мм), изолированных друг от друга для уменьшения потерь на вихревые токи.

Работа трансформатора основана на принципе взаимной индукции. При включении первичной обмотки W1 переменным напряжением U1 в ней появится ток I0, который, протекая по виткам W1, вызовет появление магнитного потока первичной обмотки, состоящей из основных или, по-другому, рабочий поток Ф, замыкающийся по сердечнику, и поток дисперсии Фδ1, замыкающийся в воздухе (рис. 4.3.). Электричество передается от первичного к вторичному через рабочий процесс.

Переменный синусоидальный рабочий магнитный поток, основанный на законе электромагнитной индукции, индуцирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции E1, а во вторичной обмотке – ЭДС взаимной индукции E2, которая создает напряжение U2 на выводах ‘ вторичная обмотка.

Если к вторичной обмотке трансформатора подключить нагрузку Zн (рис. 4.4.), В ней появится ток I2, который, протекая по виткам W2, вызовет появление магнитного потока во вторичной обмотке. Этот поток состоит из потока Ф2, закрытого в активной зоне, и вытекающего потока Фδ2, закрытого в воздухе.

Вторичный поток F2, согласно правилу Ленца, всегда направлен навстречу потоку первичной обмотки и стремится его уменьшить. Уменьшение расхода Ф приведет к уменьшению ЭДС E1. В результате разница между напряжением U1 и ЭДС E1 увеличится, что приведет к увеличению тока обмотки I0 до тока I1, который компенсирует магнитный поток Ф2 (рисунок 4.4). Таким образом, общий рабочий магнитный поток F1 – F2 останется неизменным и примерно равен начальному потоку F, приложенному к обеим обмоткам трансформатора.

Переменные потоки магнитной дисперсии первичной и вторичной обмоток Фδ1 и 2 связаны с одной из обмоток и наводят в них соответствующие ЭДС дисперсии Еδ1 и 2.

Классификация однофазных трансформаторов

Силовой трансформатор

Трансформатор используется для преобразования электрической энергии в сетях и устройствах, используемых для получения и использования необходимого количества электроэнергии. «Мощность» означает работу под высоким напряжением. Применение силовых трансформаторов обусловлено несколькими показателями рабочей мощности линий электропередач, сетей в черте города, выходного напряжения конечных объектов, а также общей работы электрических устройств и машин. Мощность колеблется от нескольких вольт до сотен киловатт.

Автотрансформатор – один из типов преобразователя, в котором первичная и вторичная обмотки не разделены, а напрямую соединены друг с другом. В связи с этим между ними формируются как электромагнитная, так и электрическая связь. Обмотка сопровождается минимум тремя проводниками, при подключении к каждому из них можно использовать разные мощности. Главное достоинство такого трансформатора – высокий КПД, поскольку преобразуется не все напряжение, а только его часть. Разница особенно заметна, когда входная и выходная мощность немного отличаются.

Трансформатор тока

Этот трансформатор в основном используется для снижения первичного тока до желаемого значения, подходящего для применения в схемах измерения, защиты, регулирования и сигнализации. Кроме того, он используется в гальванической развязке (передача электричества или сигнала от подключенных электрических цепей, при этом между ними отсутствует электрический контакт).

Нормированное значение параметров тока вторичной обмотки – 1 А или 5 А. Первичная обмотка трансформатора постепенно включается в цепь с нагрузкой, при этом контролируется переменный ток, измерительные приборы подключаются к вторичная обмотка.

Вторичная обмотка трансформатора тока должна постоянно находиться в режиме короткого замыкания. Фактически при любом варианте отключения цепи обеспечивается высокая мощность, способная исключить изоляцию и выход из строя включенных устройств.

ТТ высокого напряжения (слева) и ТТ низкого напряжения (справа)

Подробнее о трансформаторе тока.

Трансформатор напряжения

Такой трансформатор получает энергию от источника напряжения. Он в основном используется для изменения высокого напряжения на низкое в различных цепях, включая релейные измерения, защиту и автоматизацию. Он имеет возможность изолировать цепи защиты и измерения от цепей большой мощности.

Телевизор высокого напряжения (слева) и телевизор низкого напряжения (справа)

Узнать больше о TN.

Импульсный трансформатор

Он используется для модификации импульсных сигналов с точной импульсной характеристикой до десятков микросекунд. В этом случае форма импульса сопровождается лишь незначительным искажением. Основное назначение импульсного трансформатора – передача электрического импульса прямоугольной формы. Он используется для преобразования коротких импульсов видео напряжения, часто воспроизводимых с высокой скважностью.

Важным параметром при использовании импульсного трансформатора является тип неискаженной передачи систем импульсного напряжения. При воздействии на вход устройства разной мощности важно получить напряжение, точно совпадающее с той же формой, возможно, с другой амплитудой или другой полярностью.

Типы импульсных трансформаторов

Как расшифровать данные

Трансформаторы обозначаются в виде набора букв и цифр вида ХХХХХХ – 1234/1234 – Х1, где вместо буквы «Х» ставится некая буква, которая по порядку показывает тип, количество фаз, как множество низковольтных обмоток, система охлаждения и специальные обозначения для специальных типов трансформаторов.

Не всегда все буквы будут присутствовать в обозначении трансформатора, их наличие в маркировке зависит только от наличия этих характеристик.

Цифровые обозначения отражают основные характеристики трансформаторов: номинальную мощность, номинальный класс напряжения обмотки ВН, а последние две цифры обозначают год начала производства.

Если в начале символа стоит буква «А», значит перед вами автотрансформатор. Если он отсутствует, силовой трансформатор является повышающим или понижающим.

Количество фаз

Для обозначения количества фаз используются буквы «Т» – трехфазный и «О» – однофазный.

Читайте также: Как проверить аккумулятор мультиметром и узнать напряжение?

Расщепленная обмотка

За этой буквой следует информация о разделенной обмотке – «П». Это означает, что есть две или три обмотки на понижающем напряжении.

Отвод тепла

Система охлаждения обозначается следующими буквами:

В – трансформатор сухой, то есть воздушного охлаждения;
СЗ – то же, но в защищенном варианте;
ПГ – герметичный с воздушным охлаждением;
СД – воздушное охлаждение с вентилятором;
М – масляное охлаждение с естественной циркуляцией;
D – масляный бак охлаждается вентилятором (нагнетателем);
C – принудительная циркуляция масла;
DC – это комбинация двух методов охлаждения: обдува и циркуляции.

Число обмоток

После системы охлаждения может стоять буква «Т», обозначающая трехобмоточный трансформатор. Интересно, что двойная обмотка не имеет символа.

Регулировка напряжения под нагрузкой

Если количество витков трансформатора можно изменить, не отключая электрическую цепь, в этом случае это означает, что напряжение можно регулировать под нагрузкой, и обозначается буквой «H». В регулировке с отключением – переключение без возбуждения – буква отсутствует.

Исполнение

Есть устройства со специальными дизайнерскими решениями. Подвесные трансформаторы обозначаются буквой «П», с литой изоляцией – «L», энергосберегающие – буквой «E», а улучшенные – буквой «U».

Назначение

В зависимости от области применения в конце маркировки может быть буква с информацией об этом. Для работы в самой электростанции – «С», при использовании на железных дорогах – «F», на металлургических предприятиях – «М».

Особые обозначения

Существуют отдельные категории трансформаторов, для которых применяются разные обозначения. В частности, это трансформаторы тока и напряжения. Тип сразу указывается в начале буквенного кода: «T» для первого типа и «H» для второго. Информация о способе установки следующая: «P» для контрольных точек, «O» для точек опоры и «W» для сборных шин. Изоляция также обозначается специальными буквами: «L» – для литой изоляции, «F» – для фарфора и «B» – для интегрированной изоляции.

Цифры

Цифровая маркировка дает только самые основные характеристики трансформатора. Цифры, следующие за чертой сразу после букв, обозначают номинальную мощность в киловольт-амперах (кВА). Затем через косую черту указывается мощность обмотки, а для автотрансформаторов через другую полосу – класс напряжения обмотки. Далее указывается климатический вариант, то есть условия местности, в которых данный экземпляр может работать («Y» – для умеренных зон, «X» – для холодных и т.д.) в тип помещения – на открытом воздухе или в помещении. В некоторых случаях прочерк обозначает год выпуска или начало выпуска устройств данной конструкции.

Что такое однофазный трансформатор

Электроустановка, содержащая две или более индуктивно связанных катушки, называется трансформатором. Это устройство способно преобразовывать электрический ток одной силы в переменный ток разной силы. На данный момент особой популярностью пользуются трехфазные и однофазные электрические трансформаторы.

Схема простейшего однофазного трансформатора

Типичное однофазное устройство представляет собой замкнутый ферромагнитный сердечник, обернутый вокруг первичной и вторичной катушек. Для уменьшения закрученных токов сердечник состоит из тонких слоев (полмиллиметра) специальной стали.

Примечание! На схемах трансформаторов обычно используются положительные направления всех величин, характеризующих рабочие процессы. Это происходит из-за того, что первичная катушка является приемником энергии, а вторичная – источником.

Трансформатор однофазный НДК-50ВА 230/24 МЭК

Как работает однофазный трансформатор

Работа этого устройства заключается в соблюдении законов электромагнетизма. Когда первая обмотка подключена к источнику питания, через нее начинает течь переменный ток, создавая магнитные токи переменного знака в ферромагнитном сердечнике. Когда этот поток замкнут в сердечнике, он блокирует первичную и вторичную катушки и создает в них электродвижущую силу, пропорциональную количеству витков катушки.

Важно! Когда ток проходит через первичную обмотку, он создает с ее помощью магнитное поле, пронизывающее не только эту обмотку, но и вторичную.

Принцип действия и рассеяние магнитных волн

В чем его достоинства и недостатки

имеют один из самых высоких выходов (КПД), который составляет 98 %;
отлично охлаждаются и обладают большей устойчивостью к перегрузкам и кратковременным скачкам напряжения;
экологическая безопасность сухого вида. Они не содержат масла, а значит, ничто не может нанести вред окружающей среде даже после утилизации;
нет необходимости соблюдать особые противопожарные меры в местах установки трансформаторов;
относительно небольшой размер, позволяющий устанавливать устройства в небольших помещениях.

Эти устройства не лишены ряда недостатков, которые зависят от типа и места применения:

сложное обслуживание, если прибор в масле. Его необходимо регулярно проверять на предмет отказов и протечек резиновых уплотнителей, замена которых достаточно сложна;
сухие однофазные приборы плохо переносят повышенную влажность, ветер, химические и физические воздействия, а также загрязнения;
высокая стоимость сухих трансформаторов по сравнению с масляными.

Обычное устройство для однофазных сетей

Конструкция однофазного трансформатора

Самая простая конструкция однофазного силового трансформатора выглядит следующим образом: закрытый ферромагнитный стальной сердечник, расположенный внутри двух катушек (их может быть больше). Обмотка, подключенная к источнику электрической энергии, называется первичной. Катушка, подключенная к потребителю энергии, называется вторичной.

Примечание! Все параметры и значения в таком устройстве делятся на основные и второстепенные. Это зависит от того, где они наблюдаются (в конкретной обмотке) и на что они влияют.

В процессе протекания электрического тока через устройство в первичной катушке генерируются напряжение и сила намагничивания, возбуждая поток магнитных волн в стальном сердечнике. Этот поток в первой катушке возникает за счет силы самоиндукции, а во второй – взаимной индукции.

Конструкция аппарата

Назначение однофазного трансформатора

Установки трансформаторов широко используются в различных электрических сетях. Они являются незаменимыми частями всей электрической системы. Дело в том, что передача электроэнергии по сетям осуществляется при высоком напряжении (от 500 до 1000 кВ), и для передачи такой же мощности требуется гораздо менее сильный ток, что приводит к снижению потерь. На станции с помощью трансформаторов напряжение повышается передатчиком и понижается приемником.

Довожу до вашего сведения! Силовые устройства описаны выше, но есть еще измерительные и сварочные трансформаторы. В некоторых устройствах они используются для гальванической развязки цепи. Электротрансформаторы классифицируются как машины, хотя у них нет движущихся частей.

Соединительная коробка

Однофазный трансформатор широко применяется в электротехнике и электрических сетях. Благодаря простой конструкции и высокой эффективности область его применения расширилась от электростанций до бытовой техники.

В чем его достоинства и недостатки

имеют один из самых высоких коэффициентов полезного действия (КПД), который составляет 98 %;
отлично охлаждаются и обладают большей устойчивостью к перегрузкам и кратковременным скачкам напряжения;
экологическая безопасность сухого вида. Они не содержат масла, а значит, ничто не может нанести вред окружающей среде даже после утилизации;
нет необходимости соблюдать особые противопожарные меры в местах установки трансформаторов;
относительно небольшой размер, позволяющий устанавливать устройства в небольших помещениях.

Эти устройства не лишены ряда недостатков, которые зависят от типа и места применения:

сложное обслуживание, если прибор в масле. Его необходимо регулярно проверять на предмет отказов и протечек резиновых уплотнителей, замена которых достаточно сложна;
сухие однофазные приборы плохо переносят повышенную влажность, ветер, химические и физические воздействия, а также загрязнения;
высокая стоимость сухих трансформаторов по сравнению с масляными.

Обычное устройство для однофазных сетей

Основные параметры

Кроме того, следует отметить, что любой Т имеет некоторые параметры, отличающиеся от других трансформаторов. Кроме того, если вы понимаете эти зависимости, вы можете рассчитать и создать T своими руками.

Связь между ЭДС, возникающими в обмотках Т, зависит от количества витков каждой из них. Основываясь на том факте, что обмотки I и II перфорированы одним и тем же F, можно рассчитать следующее соотношение, основанное на общем законе индукции для мгновенных значений ЭДС:

Для первичной обмотки с числом витков w1: e1 = – w1 * dF / dt * E-8.
Для вторичного со скоростью w2: e2 = – w2 * dF / dt * E-8.

Отношение dФ / dt показывает величину изменения в единицу времени. Величина магнитного потока зависит от закона изменения переменного тока в единицу времени. На основе этих выражений получается следующая формула для отношения количества витков к ЭДС каждой обмотки:

Таким образом, можно сделать следующий вывод: величины ЭДС, наведенные в обмотках, также относятся друг к другу, как и количество витков обмоток. Для более простых обозначений вы можете сравнить значения e и U: e = U. Из этого следует, что e1 = U1 e2 = U2, и можно получить другое значение, называемое коэффициентом трансформации (k): e1 / е2 = U1 / U2 = w1 / w2 = k. По коэффициенту трансформации Т делятся на убывающие и возрастающие.

По убыванию идет T, из которых k меньше 1, и, следовательно, если k> 1, то оно увеличивается. При отсутствии потерь в проводах обмоток и разброса (они незначительны и ими можно пренебречь) вычислить основной параметр T (k) достаточно просто. Для этого вам нужно использовать следующий простой алгоритм нахождения k: найти отношение обмоток U (если обмоток больше 2, нужно искать соотношение для всех обмоток).

Однако расчет k – это только первый шаг для дальнейших расчетов или поиска неисправностей при наличии закороченных витков.

Для определения значений U следует использовать 2 вольтметра, точность которых составляет примерно 0,2-0,5. Кроме того, есть способы определить k:

По паспорту.
Практически.
Использование определенного моста (моста Шеринга).
Устройство, предназначенное для этой цели (UICT).

Следовательно, принцип работы однофазного трансформатора основан на простом законе физики, а именно: если проводник с числом витков n помещен в магнитное поле и это поле должно постоянно меняться с течением времени, то ЭДС должна быть порождается раундами. В этом случае верно и обратное утверждение: если проводник помещен в постоянное магнитное поле и движется вместе с ним, то в его обмотках начинает появляться ЭДС.

Эксплуатация изделий

При использовании однофазных преобразователей особое внимание уделяется безопасному обращению с ними, что объясняется высоким напряжением в первичных обмотках. Также важно учитывать следующие моменты, касающиеся правил установки и включения трансформаторов в электрические схемы:

во избежание выхода из строя обмоток (перегорания) вторичные цепи должны быть защищены от короткого замыкания;
важно следить за тепловым режимом сердечника и обмоток и при необходимости обеспечивать их охлаждение.

Уход за однофазным трансформатором сводится к стандартным процедурам, которые предусмотрены положениями действующего законодательства.

источники:

http://dprm.ru/elektrotehnika/odnofaznye-transformatory

http://www.radiochipi.ru/princzip-dejstviya-odnofaznogo-transformatora-osnovnye-harakteristiki-i-rezhimy-raboty/