Практическое занятие 4. Трансформаторы. Назначение, устройство и принцип действия основных типов трансформаторов

Ц е л ь р а б о т ы: изучить назначение, устройство и принцип действия основных типов трансформаторов:

1.Задание к выполнению работы.

1. Изучите устройство, типы трансформаторов и их принцип действия /1, с.295-332/; /2, с.166-193/; /3, с.196-200/.

2. Вычертите схемы основных типов трансформаторов.

3. Запишите обозначения обмоток и расположение выводов на клеммах трансформаторов.

2.Общие сведения.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в другое без изменения частоты, работа которого основана на явлении электромагнитной индукции.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации существует большое количество конструктивных вариантов трансформаторов. Основные типы трансформаторов: силовые, автотрансформаторы, измерительные (трансформаторы напряжения и тока) и специальные.

2.1. Однофазные силовые трансформаторы.

Силовые трансформаторы предназначены для питания потребителей.

Всякий трансформатор состоит из магнитопровода и не менее чем из двух обмоток: первичной - к которой подводится напряжение от источника питания, и вторичной - от которой энергия отводится к нагрузке (приемнику) (рис.8.1). Трансформаторы большой мощности имеют систему охлаждения.

Все обозначения, которые относятся к первичной обмотке, записываются с индексом 1, а к вторичной - с индексом 2.

Электрический ток ₁, проходя по первичной обмотке, создает магнитный поток, который, замыкаясь по стальному магнитопроводу, индуктирует во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции Е₂, а в первичной - ЭДС самоиндукции Е₁. Если замкнуть вторичную обмотку на сопротивление, то под действием ЭДС Е₂ по ней потечет ток ₂.

Рис.8.1. Электромагнитная схема трансформатора (а) и его условное обозначение на электрических схемах (б, в).

Действующие значения ЭДС первичной и вторичной обмоток находим из формул:

Е₁ = 4,44w₁Ф_м,

Е₂ = 4,44w₂Ф_м,

где  - частота тока, Гц;

w₁, w₂ - число витков соответственно в первичной и вторичной обмотках;

Ф_м - основной магнитный поток.

Отношение первичной ЭДС к вторичной называется коэффициентом трансформации:

К = Е₁/Е₂ = w₁/w_2.

Трансформатор будет повышающим, если w₁ w₂ , т.е. К 1 и понижающим, если w₁  w₂ , т.е. К  1.

Один и тот же трансформатор может работать и как повышающий и как понижающий. Это зависит от способа включения его в сеть.

Обмотка, подключенная к более высокому напряжению, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а соединенная с низким - обмоткой низшего напряжения (НН).

Выводы обмоток обозначаются: А и а - начала, Х и х - концы, причем прописными буквами обозначаются обмотки ВН, строчными - НН (для трехфазных трансформаторов - соответственно А, В, С и Х, У, Z - для ВН; а, б, с и х, у, z - для НН).

Поскольку КПД трансформатора относительно высок (в среднем около 98%), мощности на первичной и вторичной обмотках приблизительно равны. Токи в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке обратно пропорциональны напряжениям на этих обмотках. Сечение провода выбирается большим для обмотки НН и меньшим - для ВН. Обязательно ближе к стержню магнитопровода находится обмотка НН. Обмотки трансформатора обычно выполняются из медного изолированного провода круглого или прямоугольного сечения.

По расположению обмоток относительно друг друга различают: концентрические (рис.8.2,а) и чередующиеся (дисковые) (рис.8.2,б).

Рис.8.2. Стержневой трансформатор с концентрической обмоткой (а) и броневой трансформатор с дисковой обмоткой (б).

По конструкции магнитопровода трансформаторы подразделяются на стержневые и броневые. Те части магнитопровода, на которых размещаются обмотки, называются стержнями. Стержни соединяются верхним и нижним ярмом. В стержневых трансформаторах обмотки насажены на стержень магнитопровода и охватывают его (рис.8.2,а), в броневых - магнитопровод частично охватывает обмотки и как бы «бронирует» их (рис.8.2.б).

Для усиления магнитной связи в большинстве трансформаторов магнитопроводы изготавливают из листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,50 мм, изолированных друг от друга. Что позволяет уменьшить вихревые токи в магнитопроводе и потери мощности на его нагрев.

Под номинальной мощностью трансформатора S_н понимают его полную мощность при U_н и I_н:

S_н = U_1н I_1н

По способу охлаждения трансформаторы делятся на сухие и масляные. Трансформаторы малой мощности изготавливаются сухими. Используется естественное охлаждение воздухом или обдув. Трансформаторы большой и средней мощности изготавливаются с масляным охлаждением. Магнитопровод с обмотками находится в баке с трансформаторным маслом. Витки обмотки, помещенной в масло, хорошо изолируются один от другого. Кроме того, трансформаторное масло, обладая большой теплопроводностью, отнимает тепло от обмоток и отдает баку. Для увеличения поверхности охлаждения бака его снабжают ребрами или сообщающимися трубками.

2.2. Трехфазные силовые трансформаторы.

Трехфазный трансформатор представляет собой конструктивное объединение трех однофазных в общую систему.

По принципу действия трехфазные трансформаторы не отличаются от однофазных. Трансформаторы малой и средней мощности изготавливаются трехстержневыми (рис.8.3). Они имеют связанную магнитную систему трех фаз. Первичные и вторичные обмотки каждой фазы располагаются на одном стержне.

Рис.8.3. Схема трехфазного трансформатора.

У трехфазных трансформаторов обмотки ВН и НН выведены на раздельные клеммные щитки, где с помощью перемычек монтируется схема соединения обмоток.

Для трехфазных трансформаторов коэффициент трансформации определяется как отношение числа витков фазы первичной обмотки к числу витков фазы вторичной обмотки:

К = w₁/w₂ = Е₁/Е₂ ,

где Е₁, Е₂ - э.д.с., индуктируемые в фазе первичной и вторичной

обмоток, В.

Так как при холостом ходе трансформатора падение напряжения в обмотках очень мало (_о  _1н), то э.д.с., индуктируемые в первичной и вторичной обмотках, приближенно равны напряжениям Е₁  U_ф1 , Е₂  U_ф2, следовательно, К = U_ф1 / U_ф2 , т.е. он определяется как отношение фазных напряжений U_ф1 первичной обмотки и U_ф2 вторичной. Но на практике часто удобней замерить линейные напряжения. Тогда для расчета коэффициента трансформации с учетом схемы соединения первичной и вторичной обмоток используются формулы:

 или / -

 - / -

2.3. Автотрансформатор по устройству отличается от обычного тем, что его вторичная обмотка является частью первичной (рис.8.4).

Рис.8.4. Устройство (а) и схема включения (б) однофазного автотрансформатора: А-Х - выводы первичной обмотки; а-Х - выводы вторичной обмотки.

Коэффициент трансформации автотрансформатора:

К = w₁/w₂  U₁/U₂  I₂/I₁

По части обмотки (а-Х) автотрансформатора протекает ток ₃, равный разности токов ₂-₁, поэтому можно выполнить эту часть обмотки из более тонкого провода и уменьшить размеры трансформатора. С увеличением коэффициента трансформации эти преимущества уменьшаются.

Для регулирования напряжения в трехфазной цепи применяются трехфазные автотрансформаторы.

Следует помнить, что, поскольку существует электрическая связь между обмотками ВН и НН, то в случае обрыва обмотки аХ высокое напряжение появится на низковольтных выводах, что может быть причиной поражения людей электрическими током. Автотрансформаторы редко применяются в цепях высокого напряжения.

4. Измерительные трансформаторы.

Для расширения пределов измерения приборов и для изоляции их высокого напряжения применяют измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Трансформатор напряжения конструктивно мало отличается от силовых трансформаторов (рис.8.5.б). Трансформатор напряжения служит для питания цепей напряжения электроизмерительных приборов. Первичная обмотка включается в цепь параллельно, к вторичной обмотке подключаются обмотки приборов (вольтметров, частотометров, ваттметров, счетчиков, фазометров), имеющих большое сопротивление. Вторичная обмотка и все металлические части трансформатора обязательно заземляются. Коэффициент трансформации выбирают таким, чтобы при номинальном режиме работы вторичное напряжение было равно (согласно ГОСТу) 100 В.

Напряжение на первичной обмотке трансформатора определяется:

U₁ = КU₂,

где U₂ - показание вольтметра, В;

К - коэффициент трансформации.

Трансформатор тока по конструкции также принципиально не отличается от однофазного трансформатора.

Трансформатор тока преобразует ток большой величины в малый. В отличие от трансформатора напряжения включается первичной обмоткой в цепь последовательно (рис.8.5.а). Во вторичную обмотку включаются обмотки приборов, имеющих малое сопротивление (менее 1Ом). Стандартный номинальный ток во вторичной обмотке 5А и 1А. Вторичная обмотка обязательно заземляется. При отключении измерительного прибора вторичную обмотку следует замкнуть.

Измеряемый (первичный) ток определяется по формуле:

I₁ = КI₂,

где I₂ - показания амперметра, А;

К - коэффициент трансформации.

Рис.8.5. Схемы включения измерительных трансформаторов:

а - трансформатор тока; б - трансформатор напряжения.

При работе с трансформатором тока необходимо помнить, что если во вторичной обмотке нет измерительного прибора, то ее нужно замкнуть выключателем К во избежание повреждения трансформатора, т.к. трансформатор тока рассчитан на работу при замкнутой накоротко вторичной обмотке (сопротивление амперметра можно считать равным нулю).

В тех случаях, когда необходимо приближенно измерить ток без разрыва провода, применяют измерительные клещи.

При включении через измерительные трансформаторы приборов, у которых различают начала и концы обмоток, нужно следить, чтобы генераторные зажимы () были присоединены к зажиму И₁ трансформатора тока и к зажиму а трансформатора напряжения.