Трансформаторы

11. ТРАНСФОРМАТОР- это статическое электромагнитное устройство в котором энергия одного напряжения преобразуется в энергию другого напряжения. J=S/((корень(3)U).

Трансформаторы делятся на: силовые и тр-ры спец. назначения. Силовые тр-ры классифицируются след. образом: 1) По числу фаз (1 и 3);2) По числу обмоток на фазу (2х и многообм);3) По способу охлаждения (сух и масл);4) По способу изготовления сердечника магнитопровода (стержн, бронеидальные и фтороидал)

Недостатки сухих трансформаторов:

1) Менее надёжная работа и менее интенсивное охлаждение в отличие от маслянных тр-ров.

2) Вес и габариты сухих тр-ров больше чем у маслянных тр-ров такой же мощности.

Если первичную обмотку тр-ра подключить к источнику переменного тока,то по первичной обмотке пойдёт переменный ток, который создаст переменный магнитный поток. Этот поток имеет 2 составляющих: Поток рассеяния Фs и главный магнитный поток Ф1. Поток рассеяния замыкается только через витки первичной катушки и определяют потерями. Основной магнитный поток замыкается через магнитопровод и пересекает витки первичной и вторичной катушки, при этом в обеих катушках наводится ЭДС. Если вторичная обмотка не замкнута на нагрузку, то ток в ней =0 и трансформатор работает в режиме ХХ. В этом случае направление первичной обмотки = ЭДС, а ток = току холостого хода. U₁=E₁ ; I₁=I₀₁ XX.

Если концы вторичной катушки замкнуть накоротко, то R-e обмотки будет =0, а ток превышать номинально допустимое значение в 7-10 раз. В этом случае тр-тор работает в режиме К.З. и ток, протекающий во вторичной обмотке = Току к.з. R=0; I₂=Iк.з.

Если вторичную обмотку трансформатора замкнут на нагрузку, то по обмотке пойдёт ток I₂. Этот ток создаёт свой магнитный поток рассеяния, который замыкается через витки вторичной катушки и основной магнитный поток, который замыкается через магнитопровод. В результате создаётся результирующий магнитный поток, который для данного трансформатора является величиной постоянной

11. Магнитопровод (магнитная система), выполненный из ферромагнитного материала и предназначенный для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток. Магнитопровод трансформаторов малой мощности изготавливают из листовой или ленточной электротехнической стали толщиной 0,1 - 0,35 мм.

Рис. 1.1 Рис. 1.2

В зависимости от конфигурации магнитопровода различают трансформаторы стержневого, броневого и кольцевого типов. Конструктивные схемы таких двухобмоточных трансформаторов с ленточным магнитопроводом представлены соответственно на рис. 1.1, а-в. Магнитопровод 1 навивают из узкой ленты на станках; при этом магнитопровод броневого типа (рис. 1.1, б) собирают из двух магнитопроводов стержневого типа. Слои ленты изолируют друг от друга тонким слоем окисла, пленкой лака или бумагой с целью уменьшения вихревых токов, наводимых в магнитопроводе переменным магнитным потоком. Навитые магнитопроводы трансформаторов стержневого и броневого типов разрезают на две половины по линии А-А для создания возможности монтажа на них заранее намотанных обмоток. После монтажа обмоток половины вновь соединяют и плотно стягивают специальными обжимами. Использование ленты, нарезанной вдоль направления наибольшей магнитной проницаемости материала, позволяет создавать магнитопроводы на всех участках которых магнитный поток идет по пути наименьшего магнитного сопротивления материала. Участки магнитопровода, на которых расположены обмотки, называют стержнями, остальные участки – ярмом. Для обеспечения постоянной магнитной индукции по всему магнитопроводу у трансформаторов броневого типа ширина центрального стержня в два раза больше, чем боковых участков ярма.

11. Каждый из потоков циркулирует только по своему стержню, а все вместе они сходятся в серединах верхнего и нижнего ярм. В этих точках потоки складываются, но так как они сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 120°, то складываются геометрически. Как известно, геометрическая сумма таких величин равна нулю. Значит, каждый из магнитных потоков проходит только по своему стержню, не имеет обратного пути, а сумма всех трех потоков равна нулю. Потоки крайних фаз А и С проходят не только по стержню, но и по половине верхнего и нижнего ярм. Поток средней фазы В проходит только по своему стержню. Поэтому и токи холостого хода крайних фаз всегда больше, чем ток холостого хода средней фазы.

12. Чем больше зазоры тем больше ток ХХ.

13. Процесс передачи мощности с первичной на вторичную обмотку трансформатора сопровождается потерями части активной мощности. Мощность, называемая электрическими потерями, выделяется на активном сопротивлении обмоток при протекании по ним тока: ΔP_э=I₁²R₁+I₂²R₂ (1.10)где R₁ и R₂ - активные сопротивления обмоток. Значение электрических потерь зависит от токов в обмотках, т.е. от режима нагрузки, поэтому электрические потери называют переменными потерями трансформатора. Мощность ΔP_м, называемая магнитными потерями, выделяется в магнитопроводе при прохождении по ней переменного магнитного потока. Она обусловлена наличием вихревых токов, наводимых переменным потоком, и явлением гистерезиса

14. По закону Максвелла ЭДС, индуктируемая в контуре с числом витков W переменным магнитным потоком Ф, равна

15. Коэффициентом трансформации называется отношение высшего напряжения к низшему в режиме холостого хода независимо от того, является ли трансформатор повышающим или понижающим: n = U_1н/U_2н

16. Величина и форма тока холостого хода определяются магнитным потоком трансформатора и свойствами его магнитной системы. Магнитный поток изменяется во времени синусоидально, а его амплитуда определяется величиной э.д.с. Поскольку при холостом ходе э.д.с. E1 практически равна напря­жению U1, то можно сказать, что величина магнитного потока определяется напряжением первичной обмотки, числом ее витков и частотой. Свойства магнитной системы трансформатора описываются в основном кривой на­магничивания, представляющей собой графическое изображение зависимости магнитного потока Ф от м. д. с. транс­форматора F или намагничивающего тока Iμ, который пропорционален м.д.с. Кривая намагничивания трансформатора, дает связь между амплитудными или мгновен­ными значениями потока и м.д.с. Зависимость магнитного потока от тока в обмотках может быть получена экспериментальным или расчетным путем. Последний путь является единственным при проектировании и, кроме того, дает глубокое представление о свойствах магнитной системы, что и заставляет рассмотреть принцип расчета магнитной цепи транс­форматора.

17. При увеличении тока нагрузки i₂ МДС F₂ стремится уменьшить поток Ф₀ и тем самым – ЭДС e₁. Поскольку трансформаторы выполняют с минимальными потоками рассеяния и минимальным активным сопротивлением обмоток, основная часть приложенного напряжения u₁ уравновешивается ЭДС e₁, которая направлена в контуре обмотки встречно напряжению u₁; при неизменной амплитуде напряжения u₁ ток i₁ увеличивается. Таким образом, приращение выходной мощности покрывается за счет приращения потребляемой мощности P₁=u₁i₁. Увеличение тока i₁ приводит к увеличению МДС F₁, и поток Ф₀ восстанавливается до прежнего значения. Небольшое уменьшение потока может быть вызвано падением части приложенного напряжения на сопротивлении обмотки. Это изменение тем больше, чем меньше мощность трансформатора, однако при изменении тока нагрузки от нуля (холостой ход) до номинального значения оно не превышает нескольких процентов.

18. При коротком замыкании резко проявляется действие какого-то дополнительного сопротивления, ограничивающего ток короткого замыкания в обмотках. Это сопротивление связано с магнитными потоками рассеяния Ф_Р1 и Ф_Р2, которые ответвляются от основного потока Ф₀ и замыкаются каждый вокруг части витков своей обмотки или трансформатора. Непосредственно измерять величину рассеяния очень трудно: слишком разнообразны пути, по которым могут замыкаться эти потоки. Поэтому на практике рассеяние оценивают по влиянию, которое оно оказывает на напряжение и токи в обмотках. Очевидно, что потоки рассеяния возрастают с увеличением тока, протекающего в обмотках. Очевидно также, что при нормальной работе трансформатора поток рассеяния составляет сравнительно небольшую долю основного потока Ф₀. Действительно, поток рассеяния сцеплен только с частью витков, основной поток — со всеми витками. Кроме того, поток рассеяния большую часть пути вынужден проходить по воздуху, магнитная проницаемость которого принята за единицу, т. е. она в сотни раз меньше магнитной проницаемости стали, по которой замыкается поток Ф₀. Все это справедливо как для нормальной работы, так и для режима короткого замыкания трансформатора. Однако поскольку потоки рассеяния определяются токами в обмотках, а в режиме короткого замыкания токи увеличиваются в сотни раз, то во столько же увеличиваются и потоки Ф_р; при этом они значительно превосходят поток Ф₀. Потоки рассеяния индуктируют в обмотках эдс самоиндукции Е_p1 и Е_р2, направленные против тока.

19. В режиме короткого замыкания токи I₁ и I₂ сдвинуты по фазе почти на 180° и примерно равны, поэтому это позволяет пренебречь контуром намагничивания. Напряжением короткого замыкания u_к называется такое напряжение, при котором ток короткого замыкания равен номинальному току I_к = I_н, и u_к=I_н·Z_к

20. Приведенным называют трансформатор, у которого w₂=w₁ и параметры вторичной обмотки пересчитаны таким образом, что мощность на каждом элементе вторичной цепи такая же, как и в реальном трансформаторе. Параметры вторичной обмотки, приведенные к числу витков первичной обмотки, имеют то же буквенное обозначение с верхним индексом “штрих”. Поскольку при приведении напряжение и число витков первичной обмотки не изменяются, то основной магнитный поток в приведенном и реальном трансформаторе одинаков. Следовательно, одинакова и ЭДС, приходящаяся на 1 виток вторичной обмотки. Значит: E₂'=E₂w₁/w₂=K_тE₂=E₁ Полная мощность вторичной цепи I₂'E₂'=I₂E₂, откуда I₂'=(E₂/E₂')I₂=I₂/K_т Электрические потери во вторичной обмотке (I₂')²R₂=I₂²R₂, откуда R₂'=K_т²R₂ По аналогии можно показать, что x₂'=K_т²x₂, z₂'=K_т²z₂, z_н'=K_т²z_н. Уравнение равновесия МДС для приведенного трансформатора Ì₁w₁+ Ì₂'w₁=Ì₀'w₁, после сокращения на w₁ преобразуется в уравнение равновесия токов Ì₁+ Ì₂'=Ì₀ Уравнения равновесия ЭДС и напряжений принимают вид Ù₁= –È₁ + Ì₁'z₁,    Ù₂'=È₂ – Ì₂'z₂'

21. Представим ЭДС взаимоиндукции E₁ и E₂' в виде падения напряжения на некотором комплексном сопротивлении z_m при протекании тока х.х. (намагничивающего) I_0, È₁= È₂' = – Ì₀z_m   (1.28) Тогда уравнения (1.26) и (1.27) принимают вид Ù₁= Ì₀ z_m+ z₁, 0= – Ì₀ z_m –Ì₂'z₂' – Ì₂z_n, (1.29) Ì₁ = Ì₀ + (- Ì₂'). Нетрудно показать, что уравнения (1.29) – это уравнения, записанные по 1-му и 2-му законам Кирхгофа для электрической схемы, представленной на рис. 1.6

Э та электрическая схема и называется Т-образной схемой замещения трансформатора. Определив расчетным или экспериментальным путем (из опытов холостого хода и короткого замыкания) параметры трансформатора z₁, z₂' и z_m, можно по схеме замещения проводить расчет основных величин и характеристик - токов, напряжений, мощности, КПД и коэффициента мощности. Несколько слов следует добавить о сопротивлении z_m=R_m+ jx_m, которое называют сопротивлением намагничивающего контура схемы замещения. Действительная часть R_m - это условное активное сопротивление, на котором выделяется мощность, равная магнитным потерям, т.е. R_m= ΔP_м/I₀². Мнимая часть x_m - это индуктивное сопротивление взаимоиндукции обмоток приведенного трансформатора.

11. Схема соединений обмоток Yz и Dz используется, в основном, в понижающих трансформаторах небольшой номинальной мощностью. При такой схеме нейтральная точка соединения обмоток в зигзаг выведена на клеммную колодку для того, чтобы иметь возможность использовать фазные напряжения. Данное решение применяется редко, прежде всего, из экономических соображений. Сравнивая, например, звезду и зигзаг, при одинаковом номинальном токе и одинаковом сечении проводов, можно сделать вывод, что количество витков зигзага при одинаковом наименьшем линейном напряжении в 2/√3 раза превышает количество витков звезды, отсюда стоимость меди в зигзаге более чем на 15% превышает стоимость меди в звезде. Поэтому использование таких схем ограничивается, прежде всего, питанием асимметричных потребителей (например, в случае большого количества однофазных потребителей), когда необходимо симметричное распределение фазных напряжений во вторичной части трансформатора.

12. автотрансформатор — это трансформатор, в котором две обмотки имеют общую часть. В автотрансформаторе путем электромагнитной индукции преобразовывается лишь часть мощности, подводимой к одной из его сторон, например к стороне высшего напряжения, а остальная часть передается непосредственно другой стороне, например низшего или среднего напряжения, благодаря гальванической связи между соответствующими обмотками. Трехобмоточный автотрансформатор — это автотрансформатор, имеющий кроме двух обмоток (обычно высшего и среднего напряжения), соединенных по схеме автотрансформатора, третью обмотку (обычно низшего напряжения), изолированную от первых двух. Известно , что для такого электрического соединения высоковольтных сетей «соседних» напряжений, как, например, 110 и 154, 154 и 220, 220 и 330, 330 и 500, 500 и 750 кВ, экономически оправдано применять автотрансформаторы. Таким образом, расчетная мощность автотрансформатора меньше, чем мощность двухобмоточного трансформатора при той же проходной мощности, передаваемой из первичной цепи во вторичную, что позволяет выполнить автотрансформатор с меньшей массой и меньшими габаритными размерами. Отношение этих мощностей определяет коэффициент выгодности

13. Для включения трансформаторов на параллельную работу необходимо выполнить ряд условий : группа соединений трансформаторов должна быть обязательно одинаковой, коэффициенты трансформации трансформаторов должны быть одинаковыми (допускается отклонение не более 5%, а при к>3 не более 1%), напряжение u_к могут отличаться не более чем на 10%. При отличии напряжений u_к распределение мощностей между трансформаторами определяется формулой: S_1*: S_II*: S_III* = 1 / u_к1%: u_к2%: u_к3%. S - общая мощность нагрузки. Мощности трансформаторов могут отличаться не более, чем в 3 раза. При несоблюдении всех этих условий возникают уравнительные токи в обмотках трансформаторов.

14. Потери холостого хода трансформатора Рх состоят из потерь в стали сердечника, а также в стальных элементах конструкции остова трансформатора, электрических потерь в первичной обмотке, вызванных током холостого хода, и диэлектрических потерь в изоляции Потери в элементах конструкции трансформатора при холостом ходе невелики и учитываются вместе с другими добавочными потерями. Таким образом, мощность холостого хода принимается равной потерям мощности в стали магнитопровода. Потери в стали сердечника разделяются на потери от гистерезиса и вихревых токов В практике расчета обычно определяют полные потери в стали, не разделяя их, и пользуются при этом экспериментально установленной зависимостью между индукцией и удельными потерями в стали. Данные экспериментального исследования стали сводятся в таблицы или изображаются  кривой удельных потерь Р = f(B).Методика расчёта потерь зависит от марки стали, из которой изготовлен магнитопровод. Если сердечник изготовлен из горячекатаной стали, то методика расчёта проще, чем при изготовлении магнитопровода из холоднокатаной стали.Так, в случае изготовления сердечника из горячекатаной стали расчёт потерь холостого хода ведётся в следующем порядке: определяют полную массу стали, кг, Gст = Gс + Gя ; потери холостого хода, Вт, по выражению Ро = Кg(PcGc+PяGя), где Рс и Ря         –      удельные потери в 1 кг стали стержня и ярма, зависящие от величины индукции Вс и Вя, марки и толщины листов стали и частоты; Kg – коэффициент добавочных потерь, который может быть принят. Для трансформаторов с диаметром стержня dст до 20 см Kg =1,0¸1,01; dст = 20¸30 см – Kg = 1,02¸1,05; dст = 30¸50 см – Kg = 1,05¸1,1; dст более 50 см – Kg = 1,07¸1,15. Индукция в стержне Вс, Тл, в ярме Вя, Тл, определяется для окончательного установленных значений Пс и Пя Вс =  ;  Вя = Вс  .Значения Рс и Ря для различных значений индукции и марки стали могут быть взяты из табл. 1 для сталей горячей прокатки. Активная составляющая тока, А, холостого хода Iоа =   или в процентах Iоа =  , где    Ро –  потери холостого хода, Вт; S – мощность трансформатора, кВА. Расчет реактивной намагничивающей составляющей тока холостого хода усложняется наличием  в магнитной цепи трансформатора немагнитных зазоров.

15. КПД будет наибольшим при ёмкостной нагрузке, Отношение полезной мощности тран-ра к мощности потребляемой им из сети называется КПД.

КПД= Р2/Р1=Р2/(Р2+Рэ1+Рэ2+Рм)

11. а) активная нагрузка (cosϕ₂ = 1); б) активно-индуктивная нагрузка; в) активно-емкостная нагрузка.

12. Силовой трансформатор-- трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии.

Автотрансформамтор -- тот, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию -- это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4.Существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге -- меньшая стоимость.

Трансформатор тока-- трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение -- для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации.

Трансф-р напряжения-- трансформатор, питающийся от источника напряжения. Преобразует высокое напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Трансформатор напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого U.

Импульсный трансформатор -- это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Разделительный трансформатор -- трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаний к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции. Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

Пик-трансформатор -- трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.

Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) -- конструктивно является трансф-ром с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.