Трансформаторы

Содержание:

  1. Основные понятия. Назначение, области применения трансформатора
  2. Устройство, принцип действия трансформатора
  3. Особенности реального трансформатора
  4. Режимы работы трансформатора
  5. Потери энергии, КПД трансформатора
  6. Экспериментальное определение паспортных данных трансформатора
  7. Построение характеристик трансформатора по паспортным данным
  8. Особенности конструкции трансформаторов

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 Трансформаторы , в линии передачи и сопротивлением се проводов Трансформаторы

Трансформаторы Мощность, передаваемая в линии передачи, определяется током и напряжением в ЛЭП: Трансформаторы При относительно низком напряжении Трансформаторы, 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.

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по теоретическим основам электротехники (ТОЭ):

Основы электротехники: формулы и лекции и примеры заданий с решением

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:

Трехфазные цепи

Мощность трехфазной цепи

Однофазные трансформаторы

Трехфазные трансформаторы

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 Трансформаторы охватывающих стержни магнитопровода.

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

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

Трансформаторы

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

пропорциональная числу витков Трансформаторы

Трансформаторы

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

Трансформаторы

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

Трансформаторы

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.

Трансформаторы

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

Трансформаторы

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

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

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

При этом вторичное напряжение

Трансформаторы

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

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

Трансформаторы

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):

Трансформаторы 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 Трансформаторы. 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:

Трансформаторы

где Трансформаторы - напряженность магнитного поля в магнитопроводе;

Трансформаторы - длина средней линии магнитопровода (контур магнитной цепи).

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

Трансформаторы При достаточной мощности источника можно считать величину напряжения Трансформаторы неизменной. При этом величина магнитного потока Трансформаторы и напряженность магнитного поля в магнитопроводе Трансформаторы 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) Трансформаторы равен нулю (Трансформаторы = 0). Первичный ток в этом режиме называют током холостого хода Трансформаторы. При этом в уравнении по закону полного тока (6.11) второе слагаемое в правой части равно нулю, а первое слагаемое определяется током холостого хода:

Трансформаторы

Из равенств (6.11) и (6.14) следует:

Трансформаторы

Преобразуя это уравнение, можно записать:

Трансформаторы

или Трансформаторы

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: Трансформаторы 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 Трансформаторы. 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 Трансформаторы. Вторичная обмотка также создаст поток рассеяния вторичной обмотки Трансформаторы. 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 Трансформаторы (рис.6.3). Трансформаторы 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 Трансформаторы

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: Трансформаторы Для вторичного контура: Трансформаторы В этих уравнениях слагаемые Трансформаторы 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: Трансформаторы Уравнения (6.23), (6.24) описывают процессы в электрических цепях трансформатора.

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

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

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 Трансформаторы и током Трансформаторы: Трансформаторы где Трансформаторы - коэффициент мощности приемника.

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

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 Трансформаторы

Эта зависимость называется внешней характеристикой трансформатора.

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

Трансформаторы 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 Трансформаторы. Графически эта зависимость показана на рис. 6.4.

Трансформаторы

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 Трансформаторы. Такой режим называется холостой ход трансформатора. Он возникает, когда приемник электроэнергии отключен от вторичной обмотки (На рис.6.5 выключатель в разомкнутом положении). Трансформаторы 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 Трансформаторы. 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 Трансформаторы, оказывается максимальным и определяется только величиной вторичной ЭДС. Это значение принимают в качестве номинального вторичного напряжения трансформатора: Трансформаторы Точка 3 кривой на рис.6.4 соответствует режиму, когда напряжение между зажимами вторичной обмотки Трансформаторы Такой режим возникает, когда зажимы вторичной обмотки замкнуты между собой (рис.6.6). Трансформаторы Рис.6.6. Короткое замыкание трансформатора

Этот режим называется короткое замыкание трансформатора.

При коротком замыкании можно принять сопротивление приемника Трансформаторы

При этом вторичный ток ограничивается только небольшим собственным активным и индуктивным сопротивлениями вторичной обмотки. Поэтому вторичный ток короткого замыкания Трансформаторы 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 Трансформаторы 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 Трансформаторы 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.

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

Трансформаторы

В режиме холостой ход, когда вторичный ток Трансформаторы, коэффициент нагрузки Трансформаторы = 0. В номинальном режиме работы Трансформаторы= 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 Трансформаторы На рис.6.7 значения коэффициента нагрузки обозначены на дополнительной оси Трансформаторы.

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 Трансформаторы . Изменение напряжения в номинальном режиме работы Трансформаторы 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.

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

Что такое теоретические основы электротехники (ТОЭ) вы узнаете по этой ссылке:

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.

Трансформаторы Рис.6.9. Энергетическая диаграмма трансформатора Здесь Трансформаторы - активная мощность, потребляемая трансформатором от источника; Трансформаторы - активная мощность, отдаваемая трансформатором приемнику; Трансформаторы - электрические потери в обмотках трансформатора; - магнитные потери в магнитопроводе трансформатора; Трансформаторы - 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 Трансформаторы. 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 Трансформаторы и током Трансформаторы создаются потери: Трансформаторы Во вторичной обмотке трансформатора с сопротивлением Трансформаторы и током Трансформаторы создаются потери:Трансформаторы

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

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

Трансформаторы

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

Трансформаторы

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

Трансформаторы

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

Трансформаторы 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 Трансформаторы равны нулю. В номинальном режиме работы:

Трансформаторы

Тогда в общем случае для любого режима работы трансформатора электрические потери

Трансформаторы

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

Магнитные потери

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) Трансформаторы. 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 Трансформаторы и его частоты Трансформаторы

Трансформаторы

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

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

Трансформаторы

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

Таким образом, при неизменной величине магнитного потока Трансформаторы и частоте Трансформаторы 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 Трансформаторы Эти потери определяют вторую составляющую магнитных потерь в трансформаторе. Величина этих потерь также зависит от величины магнитного потока Ф и его частоты Трансформаторы Трансформаторы Поскольку частота Трансформаторы и величина магнитного потока Трансформаторы 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 Трансформаторы складываются из двух составляющих - потерь на гистерезис Трансформаторы и потерь от вихревых токов Трансформаторы

Трансформаторы 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:

Трансформаторы

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:

Трансформаторы Полезная мощность трансформатора Трансформаторы определяется напряжением и током приемника:

Трансформаторы

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

Трансформаторы

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

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

Рис. 6.10. Зависимость КПД от нагрузки

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

Трансформаторы

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 Трансформаторы - электрическая полная мощность, определяемая произведением величии поминального первичного напряжения и номинального первичного тока, или произведением номинального вторичного напряжения и номинального вторичного тока: Трансформаторы Табл. 1 Трансформаторы

Номинальное первичное напряжение Трансформаторы - напряжение источника, к которому

подключается трансформатор.

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

Соотношение поминальных первичного и вторичного напряжений определяет коэффициент трансформации:

Трансформаторы

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

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

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

Мощность короткого замыкания Трансформаторы 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 Трансформаторы - 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.

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

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

Амперметр показывает ток холостого хода Трансформаторы который определяет паспортное значение Трансформаторы:

Трансформаторы

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

Трансформаторы

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

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. Трансформаторы Рис. 6.12. Схема цени в опыте короткого замыкания Здесь Т испытуемый трансформатор. Трансформаторы - 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:

Трансформаторы

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

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

Трансформаторы

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 Трансформаторы 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 Трансформаторы и магнитные потери Трансформаторы

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:

Трансформаторы

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

Таким образом, мощность короткого эамыкэния Трансформаторы определяет номинальные электрические потери Трансформаторы:Трансформаторы

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):

Трансформаторы С учетом (6.54). (6.59):

Трансформаторы

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

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

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:

Трансформаторы

Трансформаторы - 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. Трансформаторы 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.

Трансформаторы 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. Трансформаторы 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 Трансформаторы. Часть этой обмотки с числом витков Трансформаторы принадлежит одновременно первичной и вторичной цепям. Схема такого автотрансформатора изображена на рис. 6.16. Трансформаторы Рис. 6.16. Автотрансформатор

Напряжение источника Трансформаторы приложено ко всем воткем обмотки Трансформаторы

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

Трансформаторы

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). Трансформаторы 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). Трансформаторы 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" Трансформаторы. Общий вид трехфазного маслянного трансформатора показан на рис. 6.14.

Трансформаторы Рис. 6.19. Условное обозначение трехфазного трансформатора