Вопрос 20

Трансформатором называют статическое устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

1. В работе трансформатора важную роль играет то положение, что при изменении нагрузки трансформатора в широком диапазоне магнитный поток может считаться практически неизменным. Напряжение на зажимах первичной обмотки U₁ и наводимая в ней э.д.с. E₁ связаны комплексным уравнением U₁=-E₁+I₁Z₁. Иначе говоря, напряжение U₁ уравновешивается электродвижущей силой E₁ и падением напряжения в первичной обмотке, которое очень невелико. Поэтому E₁ лишь незначительно отличается от U₁, составляя при нормальной нагрузке (0,95÷0,97) U₁. Увеличение тока (даже в два раза) может вызвать уменьшение э.д.с. E₁ всего до (0,93÷0,95) U₁. Таким образом, изменение э.д.с. E₁ настолько незначительно, что практически эта э.д.с. может считаться неизменной. Но э.д.с. E₁ пропорциональна амплитудному значению магнитного потока: E₁=4,44 fwФ_m. Отсюда и вытекает сформулированное выше положение о неизменности магнитного потока.

Основываясь на этом положении, можно объяснить, почему при изменении нагрузки трансформатора, а следовательно, и тока во вторичной обмотке I₂ одновременно изменяется и ток в первичной обмотке I₁. Магнитный поток Ф создается намагничивающей силой, которая выражается как сумма намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток: F=I₁w₁+I₂w₂. Постоянству магнитного потока соответствует постоянство создающей его магнитной силы. Всякое изменение тока I₂ принуждает изменяться поток I₁ настолько, чтобы общая намагничивающая сила обмоток оставалась неизменной. Положение о неизменности магнитного потока относится не только к трансформаторам, но также и к машинам переменного тока - асинхронным и синхронным.

2. Для лучшего понимания и усвоения принципа работы нагруженного трансформатора целесообразно использовать так называемую условно-логическую схему, показанную на рис. Представленная схема читается следующим образом.

Рисунок 5.АВ

К цепи первичной обмотки трансформатора подается переменное напряжение u₁, и так как цепь замкнута (ЦЗ), по первичной обмотке протекает ток i₁; первичная обмотка имеет w₁ витков, поэтому она создает м.д.с. i₁w₁; м.д.с. является возбудителем магнитного потока Ф; магнитный поток переменный, поэтому в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ) в обеих обмотках наводятся e₁ и e₂. Полученная э.д.с. e₂ является преобразованной величиной напряжения u₁. Если трансформатор работает под нагрузкой, то цепь вторичной обмотки замкнута (ЦЗ) и поэтому в ней протекает ток i₂ ( величина которого зависит от нагрузки Н). Эта обмотка имеет w₂ витков и в результате м.д.с. i₂w₂ действует на магнитный поток Ф. Это воздействие уменьшает Ф, но одновременно увеличивается ток i₁ (под влиянием нагрузки или в связи с увеличением нагрузки), в результате чего увеличивается i₁w₁.

Следует иметь в виду, что схема поясняет принцип работы, а не все дополнительные явления, сопутствующие принципу работы. Так, в данном случае опущен вопрос о возникновении э.д.с. рассеяния. При объяснении схемы следует подчеркнуть, что Ф, т.е. результирующий магнитный поток, является главным, основным. Наряду с этим в схеме хорошо показаны обратные связи.

3. При построении векторных диаграмм трансформатора следует иметь в виду, что лишь первый шаг является произвольным. Пусть, например, из произвольно выбранной точки в произвольном направлении проведен вектор тока I₁; остальные построения будут уже обусловлены, с одной стороны, заданными значениями угла φ₂ и напряжением U₂, с другой – уравнениями напряжений и токов для вторичной и первичной обмоток трансформатора.

В рассматриваемом случае после проведения вектора I₂ под заданным углом φ₂ к нему строится вектор U₂. Далее к вектору напряжения U₂ прибавляются I₂r₂ и jI’₂x₂ получается как результирующий вектор E’₂. В дальнейшем построении также нет никаких произвольных элементов. Под углом π/2 в сторону опережения проводится вектор магнитного потока Ф_m, а затем вектор тока холостого хода I₀. К вектору – E₁ прибавляются векторы I₁r₁ и jI₁x₁ и в результате строится вектор U₁.

4. При рассмотрении изменения вторичного напряжения следует обратить внимание на активную нагрузку. При такой нагрузке φ₂=0 и поэтому формула процентного изменения напряжения приводится к виду ∆U %=βu_к.а. Отсюда следует, что при нормальной нагрузке величиной ∆U можно пренебречь, так как u_к.а=1÷2 %.

5. В теории трансформаторов пользуются схемой замещения. Возможность представить трансформатор его схемой замещения вытекает из теории четырехполюсника, поскольку трансформатор может рассматриваться как четырехполюсник. Подобная же схема замещения используется и в теории асинхронных машин вследствие существования некоторой аналогии между процессами, происходящими в асинхронной машине и трансформаторе. Использование схемы замещения означает, что вместо реального объекта – электрической машины – рассматривается его схема. Соотношение в реальном объекте (электрической машине) и аналоге (схеме замещения) описываются уравнениями одинакового вида. В то же время схема замещения значительно проще и нагляднее, нежели сама электрическая машина.

6. В трехфазных трансформаторах алгебраическая сумма мгновенных значений синусоидальных магнитных потоков в сердечнике равна нулю, поэтому необходимость в «нейтральном» стержне отпадает и трехфазный трансформатор выполняется в виде трехстержневого.

7. Теория однофазного трансформатора полностью распространяется на автотрансформаторы и измерительные трансформаторы. Поэтому при изучении последних следует обратить внимание на область применения, их особенности и возникающие дополнительные погрешности (в измерительных трансформаторах)

Назначение трансформаторов.

Трансформаторы предназначены для:

1. Изменения напряжения вырабатывающих генераторов с 10-20 кВ до 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ с целью повышения КПД ЛЭП и уменьшения затрат на цветной металл.

2. Понижения напряжения на местах потребления электроэнергии до такого уровня, который является номинальным для электроприёмников: 220, 380 В и т.д.

3. Применения в установках электросварки, в радио- и телеустановках, в системах автоматического управления, связи и т.п.

Наибольшее распространение получили следующие типы трансформаторов:

1) силовые – для передачи и распределения электроэнергии;

2) автотрансформаторы – для преобразования напряжения в небольших пределах, для пуска двигателей переменного тока и т.п.;

3) измерительные трансформаторы – для включения в схемы измерительных приборов;

4) трансформаторы специального назначения – сварочные, печные, испытательные, импульсные, пиковые, высокочастотные, для преобразования частоты, для медицинских и радиотехнических целей.

Таким образом, область применения трансформаторов чрезвычайно широка, соответственно велико и число конструктивных форм трансформаторов. Но во всех случаях процесс преобразования энергии в трансформаторах и приемы изучения происходящих в них явлений по существу одни и те же. Поэтому в дальнейшем рабочие процессы рассматриваются в основном трансформаторам– в одно и трехфазном двухобмоточном силовом трансформаторе.

В опрос 23

Способ связывания фаз звезды и треугольника ( - ). Характерной особенностью такого соединения является равенство фазных напряжений приемника соответствующим линейным напряжениям генератора, т. е.

Рис.3.14. Схема трехпроводной цепи при соединении фаз приемника треугольником.

При соединении фаз приемника треугольником фазные токи не будут равны между собой, как это имело место при соединении фаз звездой. Фазные токи могут быть определены по формулам:

; ; (3.20.)

Линейные токи определяются по фазным токам из уравнений, составленных по первому закону Кирхгоффа для узлов “а”, “в”, “с”:

(3.21.)

Из приведенных уравнений следует, что вектор любого из линейных токов равен векторной разности токов тех двух фаз приемника, которые соединяются с данным линейным проводом (рис.3.14). Как следует из уравнений (3.21.), векторная сумма линейных токов всегда равна нулю:

.

С истема линейных (фазных) напряжений , и при соединении образует такой же замкнутый ,как и при соединении .

Рис.3.15. Векторная диаграмма напряжений и фазных токов при соединении фаз приемника треугольником.

Фазные токи , и при симметричной нагрузке равны по значению и сдвинуты по отношению к векторам напряжений на одинаковый угол .

Д ля определения линейных токов на рис. 3.16 (а) построена векторная диаграмма тех же фазных токов, что и на рис. 3.15. Т. к. линейные токи определяются через фазные так же как и линейные напряжения через фазные при соединении , то можно сразу построить векторы линейных токов, соединив концы векторов фазных токов. Векторы линейных токов образуют замкнутый

Поскольку при симметричной нагрузке система фазных и линейных токов симметричны, сравнивая векторные диаграммы (рис.3.16а) и напряжений (рис.3.7), можно заключить, что линейные токи при симметричной нагрузке, соединенной треугольником, в раза больше фазных:

При соединении звездой три конца приемника (или обмоток источника) соединяются вместе, образуя нейтральную точку, а к началам А, В, С подсоединяются провода, называе­мые линейными. Провод, подсоединяемый к нейтральной точке, назы­вается нейтральным. Нейтральная точка приемника на схеме обоз­начается , нейтральная точка источника - . В дальнейшем напряжения относящиеся к источнику (генератору) будем обозначать со штрихом, а относящиеся к приемнику (нагрузке) - без штриха. Каждую из однофазных цепей, входящих в трехфазную, принято на­зывать фазой.