Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Трансформаторы и их применение. Учебное пособие.pdf
11
ции), индуцирует в ней электродвижущую силу (ЭДС) е
2
, кото-
рую можно использовать для питания нагрузки Zн.
Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора
пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выраже-
ния индуцируемых в обмотках ЭДС можно записать в виде:
е1 = 4,44fw1Ф,
е2 = 4,44fw2Ф,
где f – частота переменного тока, Гц; w1 и w2 – число витков первичной и вторичной обмоток.
Поделив одно выражение на другое, получим соотношение
е1/е2 = w1/w2 = k.
Отношение числа витков первичной обмотки к числу вит-
ков во вторичной обмотке трансформатора называют коэффици-
ентом трансформации k.
2.3. Холостой ход однофазного трансформатора
Если отключить нагрузку во вторичной обмотке, а на пер-
вичную подать номинальное напряжение, то возникнет режим,
называемый холостым ходом трансформатора.
Под влиянием первичного напряжения u1 в первичной об-
мотке протекает переменный ток холостого хода iх, который
не превышает 4–10 % номинального тока.
В режиме холостого хода напряжение на зажимах вторичной
обмотки равно ЭДС: u2 = e2, а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки u1 ≈ e1.
Следовательно, можно записать, что коэффициент трансформации k = е1/е2 ≈ u1/u2.
Таким образом, коэффициент трансформации может быть
определен на основании измерений напряжений на входе и выходе ненагруженного трансформатора.
12
Поскольку ток холостого хода много меньше номинального
значения, то мощность потерь в проводах первичной обмотки ни-
чтожно мала по сравнению с потерями в магнитопроводе (по-
тери в стали), которые преобразуются в тепло вследствие явле-
ния гистерезиса и вихревых токов.
Ферромагнитные материалы состоят из небольших областей
самопроизвольного намагничивания, называемых доменами.
Магнитные моменты всех доменов ориентированы беспорядочно, поэтому намагниченность всего ферромагнетика равна
нулю. Если же ферромагнетик поместить в магнитное поле, то
магнитные моменты всех доменов получат ориентацию в направ-
лении поля. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее эта ориентация, тем сильнее намагничивается ферромагнетик. При определенной величине внешнего поля все домены оказываются ориен-
тированы вдоль поля (режим насыщения).
Если ферромагнетик поместить в переменное магнитное
поле, которое создается переменным током, то ферромагнетик
будет перемагничиваться с частотой переменного тока. Домены
будут менять свою ориентацию с той же частотой, при этом бу-
дет совершаться работа из-за внутреннего трения доменов друг
о друга.
В ферромагнетике, подвергаемом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан зависимостью с током петли
гистерезиса. И при каждом перемагничивании сердечника затрачивается работа, пропорциональная площади петли гистерезиса.
Эта работа также затрачивается на внутреннее трение и ведет
к нагреву сердечника.
Чтобы уменьшить потери на гистерезис, сердечники транс-
форматоров изготавливают из специальной электротехниче-
ской стали.
Вихревые токи или токи Фуко возникают в проводниках,
которые находятся в переменных магнитных полях. Создаются
они и в сердечнике трансформатора. Протекая в толще сердечника, токи нагревают его, что приводит к потере энергии, для их
13
уменьшения сердечники трансформатора набирают из отдельных
стальных пластин, изолированных друг от друга [1].
Потоки рассеяния в сердечнике трансформатора создаются
той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от вит-
ков катушек. Потоки рассеяния составляют около 1 % от основного магнитного потока.
Активное сопротивление обмоток создает потери за счет то-
ков, протекающих в обмотках и нагревающих их. Для уменьшения обмотки трансформаторов в основном выполняют из меди,
которая имеет малое удельное сопротивление [1].
2.4. Режим короткого замыкания трансформатора
Опытом короткого замыкания (КЗ) называется испытание
трансформатора, когда вторичную обмотку замыкают накоротко,
а к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение
Uкз, при котором в первичной и вторичной обмотках устанавли-
ваются номинальные значения токов: I1 = I1Н, а I2 = I2Н. Здесь
напряжение питания уравновесится падениями напряжения на
обмотках, и величину подводимого пониженного напряжения
рассматривают как эквивалентное падение напряжения на обмотках при токе нагрузки равном номиналу.
В условиях эксплуатации этот режим является аварийным,
когда сила тока увеличивается в несколько раз, и защита трансформатора отключает его от сети.
Опыт короткого замыкания позволяет многое узнать о транс-
форматоре. Напряжение короткого замыкания находят как про-
центное отношение напряжения короткого замыкания в экспери-
менте к номинальному первичному напряжению. Параметр
«напряжение короткого замыкания» указывается в процентах.
Для маломощных трансформаторов питания и для силовых
трансформаторов величина напряжения короткого замыкания ле-
14
жит в пределах от 5 до 15 %, и чем мощнее трансформатор, тем
меньше эта величина. Точное значение напряжения короткого замыкания приводится в технической документации на конкретный
трансформатор.
Мощность в цепи питания, измеренная при этом опыте,
расходуется на потери в обмотках, т. е. нагрев проводов. Потери в стали пренебрежимо (в 20–30 раз) малы, т. к. магнитный
поток очень мал. В таких условиях величина напряжения корот-
кого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Следовательно, ват-
тметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора
в этом опыте, покажет мощность, соответствующую потерям
в меди [1].
2.5. Внешняя характеристика трансформатора
Известно, что напряжение на выводах вторичной обмотки
трансформатора зависит от тока нагрузки, подключенной
к этой обмотке. Данная зависимость называется внешней характеристикой трансформатора.
Внешняя характеристика трансформатора снимается при
постоянном напряжении питания, когда с изменением нагрузки,
по сути, с изменением тока нагрузки, изменяется и напряжение
на выводах вторичной обмотки, т. е. вторичное напряжение
трансформатора.
Это явление объясняется тем, что на сопротивлении вторич-
ной обмотки с изменением сопротивления нагрузки, изменяется
и падение напряжения, и за счет изменения падения напряжения
на сопротивлении первичной обмотки изменяется соответ-
ственно и ЭДС вторичной обмотки. Нагрузку трансформатора создает приемник электрической энергии, подключенный к зажимам его вторичной обмотки [2].
Графически эти зависимости показаны на рис. 2.7.
15
Рис. 2.7. Внешние характеристики трансформатора при разных типах
нагрузки:
1 – cosφ2 > 0 (индуктивный характер); 2 – cosφ2 = 1 (активный характер);
3 – cosφ2 < 0 (емкостной характер)
2.6. Коэффициент полезного действия трансформатора
Как уже отмечалось выше, преобразование электрической
энергии в трансформаторе сопровождается потерями, как в стали,
так и в меди. Коэффициент полезного действия трансформатора
(КПД) – это отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой
2
1
100 %,
P
P
=
где Р1 – мощность, потребляемая из сети, Вт; Р2 – мощность, отдаваемая нагрузке, Вт.
Таким образом, для практического определения КПД транс-
форматора при номинальной нагрузке необходимо измерить
мощности в первичной и вторичной обмотках. Такой метод опре-
деления КПД называется методом непосредственных измерений.
16
Он весьма прост, но имеет малую точность. Это обусловлено тем,
что КПД промышленных трансформаторов очень высок (до
99 %), поэтому мощности Р1 и Р2 мало отличаются по величине.
И незначительная ошибка в показаниях приборов приведет
к большим ошибкам в значениях КПД.
На практике КПД трансформаторов определяют косвенным
методом, т. е. путем раздельного определения потерь.
При этом исходят из того, что КПД трансформатора может
быть представлен в виде
2
2 СТ М
,
P
P P P
=
++
где РСТ – потери в стали магнитопровода, Вт; РМ – потери в меди
обмоток, Вт. Потери в стали измеряются в опыте холостого хода,
а потери в меди измеряются в опыте кроткого замыкания [1].
В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку
подают номинальное напряжение, а вторичную обмотку остав-
ляют разомкнутой, определяют потери в стали, т. е. потери на
гистерезис и вихревые токи. Так как при номинальном напряжении на первичной обмотке магнитный поток практически постоянен, то независимо от того, нагружен трансформатор или нет,
потери в стали для него являются постоянной величиной. Значит,
можно считать, что в режиме холостого хода энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется только на потери
в стали, а следовательно, мощность этих потерь можно измерить
ваттметром, включенным в цепь первичной обмотки.
Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть накоротко, а на первичную подать такое пониженное напряжение, при
котором токи в обмотках не превышают номинальных значений,
то энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется
в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора. В самом деле, при короткозамкнутой вторичной обмотке
к первичной подводится пониженное напряжение, поэтому маг-
17
нитный поток очень мал, и потери в стали, зависящие от значения
магнитного потока, также малы. Этот опыт называется опытом
короткого замыкания. Ваттметр, включенный в цепь первичной
обмотки трансформатора в этом опыте, покажет мощность, соот-
ветствующую потерям в меди.
Вид характеристик зависимости КПД от нагрузки трансформатора при различных значениях cosφ приведен на рис. 2.8,
где β – это коэффициент нагрузки.
β = I1/I1Н.
Рис. 2.8. Зависимость КПД трансформатора от величины нагрузки
Анализ этих характеристик показывает, что трансформатор
должен работать в режиме, близком к номинальному. Если
нагрузка значительно меньше номинальной, то снижается КПД
и cosφ, что приводит к повышенным потерям. При нагрузке
больше номинальной трансформатор перегревается, что может
привести к его неисправности.
18
Вопросы и задания для самопроверки
1. Объясните устройство и принцип действия однофазного
трансформатора.
2. Перечислите потери в трансформаторе и объясните их
физическую природу.
3. Почему сердечник трансформатора набирают из тонких
листов электротехнической стали, изолированных друг от друга?
4. Что называется коэффициентом трансформации?
5. Какой режим работы трансформатора называется холо-
стым ходом?
6. Какие методы измерения КПД трансформатора вы знаете?
19
3. ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Для преобразования напряжения в трехфазных системах
можно воспользоваться группой из трех однофазных трансфор-
маторов, обмотки которых соединены либо звездой, либо тре-
угольником. В этом случае каждый трансформатор работает неза-
висимо от остальных, как обычный однофазный трансформатор,
включенный в одну из фаз трехфазной системы.
На практике значительно чаще применяют трехфазные транс-
форматоры, выполненные на одном магнитопроводе (рис. 3.1). При
этом магнитные потоки, возбуждаемые токами в первичных обмот-
ках, замыкаются через два других стержня магнитопровода.
Рис. 3.1. Трехфазный трансформатор
На каждый стержень сердечника трехфазного трансформа-
тора наматываются по две обмотки: низкого напряжения, а поверх нее – обмотка высокого напряжения. Выводы обмоток обозначаются следующим образом: начало обмоток высокого напря-
20
жения – заглавными буквами латинского алфавита А, В и С. Об-
мотки низкого напряжения обозначаются строчными латинскими
буквами a, b и с. Концы обмоток обозначаются заглавными буквами X, Y и Z для обмоток высокого напряжения и строчными
буквами x, y и z – для обмоток низкого напряжения [2].
Обмотки трехфазного трансформатора обычно соединяют
звездой или треугольником. Наиболее простым и дешевым бу-
дет первый способ. В этом случае каждая обмотка и ее изоляция
при заземлении нулевой точки должна быть рассчитана только
на фазное напряжение и линейный ток. Поскольку число витков
обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то при соединении звездой каждая обмотка требует меньшего количества витков при большем сечении провода; при
этом изоляция проводников должна быть рассчитана лишь на
фазное напряжение. Такое соединение широко применяется для
трансформаторов небольшой и средней мощности. Соединение
звездой наиболее желательно для высокого напряжения, т. к.
изоляция рассчитывается лишь на фазное напряжение. Соединение треугольником наиболее удобно при больших токах
и в тех случаях, когда нагрузки могут быть подключены без нулевого провода [1].
Применяется также комбинированное включение трехфаз-
ных трансформаторов (первичные обмотки соединены звездой,
а вторичные – треугольником, или наоборот). Соединение «звездатреугольник» часто используется для трансформаторов большой
мощности в тех случаях, когда на стороне низкого напряжения
не требуется нулевой провод.
Особенностью трехфазного трансформатора является зави-
симость коэффициента трансформации линейных напряжений
от способа соединения обмоток.
На практике применяются три способа соединения обмоток
трехфазного трансформатора:
– соединение первичных и вторичных обмоток звездой
(рис. 3.2, а);