Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Учебное пособие для СПО.pdf
6. По конструкции обмоток:
НН
ВН
НН
ВН
НН
НН
НН
ВН
б
а
− с концентрическими (катушечными) обмотками (рис. 1.3, а);
− с дисковыми (слоевыми) обмотками (рис. 1.3, б).
7. По способу регулирования вторичного напряжения:
− с регулированием под нагрузкой;
− с регулированием при отключенном питающем напряжении.
8. По способу охлаждения обмоток и магнитопровода:
− охлаждение трансформаторным маслом (масляные трансформаторы);
− охлаждение атмосферным воздухом или специальными газами (сухие
трансформаторы);
− охлаждение кварцевым песком (кварценаполненные трансформаторы).
Рис. 1.3. Конструкция обмоток высшего (ВН) и низшего
(НН) напряжения трансформатора
9. По месту установки трансформаторов:
− для наружной установки;
− для установки в помещениях.
10. По исполнению:
− в нормальном исполнении — трансформаторы общепромышленного
применения.
− в рудничном взрывобезопасном исполнении (РВ) — трансформаторы,
применяющиеся в шахтах, опасных по взрыву газов и пыли, и в помещениях
с агрессивной окружающей средой.
11
1.2. Паспортные данные трансформаторов
Sн = 200 кВ·А;
i0 = 2,5 %;
U
= 6,0 кВт;
uк = 2,8 %;
I
= 19,3 А;
P0 = 0,875 кВт;
U
= 0,4 кВ;
Pк = 2,535 кВт,
I
= 289 А;
В паспорте трансформатора приводятся следующие данные:
– тип трансформатора;
– номинальное значение мощности, S
– номинальные значения напряжения на зажимах первичной (U
ричной (U
– номинальные значения тока в первичной (I
– значение тока холостого хода трансформатора I
) обмоток с учетом диапазона регулирования, В или кВ;
2н
, В·А или кВ·А;
н
) и вторичной (I2н) обмотках, А;
1н
) и вто-
1н
, % (Примечание:
0
В паспорте трехфазного трансформатора приводят значения линейных напряжений и токов соответственно первичной и вторичной обмоток);
– номинальное значение напряжения короткого замыкания u
, %;
к
– номинальное значение потерь активной мощности в магнитопроводе
(потери холостого хода) Р
, Вт или кВ;
0
– номинальное значение потерь активной мощности в обмотках (потери
короткого замыкания) Р
, Вт или кВт;
к
– схемы и группы обмоток;
– частота напряжения питающей сети f
, Гц.
1
Пример:
Трансформатор сухой, шахтный, во взрывобезопасном исполнении, трехфазный, тип ТСШВ-200/6:
1н
1н
2н
2н
схемы и группа соединения обмоток: Y/Y–0, т.е. первичная и вторичная обмотки
соединены звездой без выведенной нейтрали, а группа соединения — нулевая:
f
= 50 Гц.
1
Примечание. Регулирование напряжения в шахтных трансформаторах
осуществляют переключением отпаек первичной обмотки в пределах «–» 5; 0;
«+» 5 %, а диапазон регулирования напряжения обозначают соответственно:
6,3; 6,0; 5,7 кВ.
12
1.3. Устройство трансформаторов
Основными конструктивными элементами трансформаторов являются
магнитопровод и обмотки.
Магнитопровод выполняют из штампованных листов электротехнической
(трансформаторной) стали толщиной 0,3; 0,35; 0,5 мм с электроизоляционным
нагревостойким покрытием.
Участки магнитопровода, на которых расположены обмотки, называют
стержнями. Участки магнитопровода, примыкающие к стержням, называют
ярмами.
Обмотки силовых трансформаторов имеют цилиндрическую форму. Поэтому сечение стержней магнитопровода стремятся приблизить к окружности.
Практически сечение стержней получается ступенчатой формы (рис. 1.4).
Число ступеней возрастает с увеличением внутреннего диаметра катушек обмотки. Например, в мощных трансформаторах число ступеней достигает 15
и более.
Рис. 1.4. Форма сечения стержней магнитопровода трансформатора
Обмотки трансформаторов выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов прямоугольного или круглого сечения.
В современных трансформаторах первичную и вторичную обмотки располагают пофазно на одном стержне магнитопровода. Такое расположение об-
моток обеспечивает лучшую магнитную связь между ними и повышает КПД
трансформатора.
В силовых трансформаторах широко применяют концентрические обмотки. Ближе к стержням располагают обмотку низшего напряжения, изоляция ко-
торой относительно токоведущих частей и магнитопровода трансформатора
меньшей толщины, по сравнению с обмоткой высшего напряжения. Это дает
возможность уменьшить габаритные размеры обмоток, не снижая мощности
трансформатора.
13
Шахтные трансформаторы и трансформаторы малой мощности (до десятков кВ∙А) общепромышленного исполнения изготавливают сухими, а остальные трансформаторы — масляными. Исключение составляют силовые трансформаторы, токоведущие части которых охлаждают по специальной технологии негорючим жидким диэлектриком или инертным сжиженным газом. В отечественной практике такие трансформаторы не имеют широкого применения
из-за сложности обеспечения их эксплуатационной надежности.
У трансформаторов с воздушным охлаждением тепло, выделяемое в магнитопроводе и обмотках, передается непосредственно в окружающую среду.
У трансформаторов с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками располагается в баке с трансформаторным маслом, способным интенсивно
циркулировать и передавать тепло в окружающую среду через стенки бака
и радиатора.
Для лучшего отвода тепла от масла в мощных трансформаторах снаружи
бака размещают радиаторы. Иногда применяют искусственную циркуляцию
масла.
Трансформаторное масло расширяется при нагревании и переходит
в специальный бак (расширитель), соединенный с внутренней полостью трансформатора. Кроме того, на мощных трансформаторах устанавливают стальную
выхлопную трубу, также соединенную с основным баком трансформатора.
Сверху выхлопная труба закрыта стеклянной мембраной толщиной 2–3 мм. При
внутренних повреждениях обмоток трансформатора в трансформаторном масле
образуются газы, которые выдавливают мембрану и выходят наружу, предохраняя тем самым основной бак от деформаций.
1.4. Однофазные двухобмоточные трансформаторы
Как уже отмечалось ранее, двухобмоточный трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки.
Первичная обмотка подключается к питающей сети переменного тока и
является для нее нагрузкой активно-индуктивного характера.
Вторичная обмотка выполняет функции источника переменного тока
для потребителей, подключаемых к зажимам этой обмотки.
Примечание. Всем электрическим величинам первичной обмотки присваивают индекс «1», а вторичной обмотки — индекс «2».
14
1.4.1. Принцип действия трансформатора
12
11 2 2
;,Z R jX Z R jX=+=+
1
1
sin , 0,
m ui
uU t
ωψ
=⋅=
Φ1σ
w2
w1
Φ0 . . . I1=I0
.
U1 . E2=U20
.
Изложить принцип действия трансформатора — это значит рассказать,
как возникает ЭДС на зажимах вторичной обмотки при подаче напряжения питающей сети на первичную обмотку трансформатора.
Электромагнитная схема трансформатора приведена на рис. 1.5.
Поскольку обмотки трансформатора представляют собой реальные катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником, то можно записать:
(1.1)
где Z
, R1, X1 — соответственно комплекс полного сопротивления, активное
1
и индуктивное сопротивления первичной обмотки, Ом;
Z
, R2, X2 — то же — вторичной обмотки, Ом.
2
Рис. 1.5. Электромагнитная схема
Если при разомкнутой вторичной обмотке трансформатора с числом витков w
подвести к первичной обмотке с числом витков w1, напряжение питаю-
2
щей сети изменяется по синусоидальному закону (рис. 1.6):
где U
ψ
— максимальное значение напряжения сети;
m1
— начальная фаза этого напряжения.
ui
однофазного двухобмоточного трансформатора
(1.2)
15
Ток в первичной обмотке возникает синусоидальный ток, мгновенное
( )
10
sin ,
m
iI t
ωφ
=⋅−
10
.II=
0а
I I jI
µ
= −
T
t
Φ0,
0
е2
u1
е1
Φm0
Φ0
значение которого находится из равенства:
(1.3)
где φ
— угол сдвига фаз между напряжением и током первичной обмотки
0
трансформатора (рис. 1.7).
Так как вторичная обмотка трансформатора разомкнута, то ток, протекающий по первичной обмотке, называют током холостого хода трансформа-
тора (I
), а следовательно, можно записать в комплексной форме равенство:
0
(1.4)
Причем:
, (1.5)
где I
, Iµ — модули соответственно активной и индуктивной составляющих
0a
комплекса действующего значения тока холостого хода трансформатора, А.
u1,
е
,
1
е
2
Рис. 1.6. Временные диаграммы Φ
, u1, е1, е2
0
16
Ток I0a обеспечивает поступление из сети активной энергии, расходуемой
1 10 0а
U I I I I jI
µ
→=== −
1 01 01 0 1
F Iw Iw Iw
µµ σ
= ≈ → →Φ +Φ
2
E
1
E
1
E
σ
1
,F Iw
µµ
=
0 01
.F F Iw
µ
≈=
10 1
σ
Φ =Φ +Φ
( )
01
0,9 0,98Φ= − Φ
0
11
;
d
ew
dt
Φ
= −
на формирование в трансформаторе магнитных процессов. Его значение определяется качеством трансформаторной стали, конструкцией магнитопровода
и для выпускаемых отечественной промышленностью трансформаторов не превышает 10 % от значения тока I
I
>> I0a.
µ
Ток I
называют намагничивающим током. В реальных трансформаторах
µ
.
0
Изложенные ранее и дальнейшие рассуждения будем иллюстрировать
структурной формулой:
Протекая по первичной обмотке, ток I
создает магнитодвижущую силу
µ
формирующую, в свою очередь, магнитный поток Ф1, направление
силовых линий которого определяется по правилу правоходового буравчика: если
ввинчивать правоходовой буравчик в проводник с током по направлению движения тока, то направление вращения рукоятки буравчика покажет направление
силовых линий магнитного потока, создаваемого вокруг этого проводника.
Практически можно считать, что
Магнитный поток Ф
потока рассеяния (Ф
σ1
):
состоит из основного потока (Ф0) и так называемого
1
. (1.6)
Для большинства трансформаторов основной магнитный поток
.
Его силовые линии замыкаются по магнитопроводу трансформатора, пересекают первичную и вторичную обмотки и наводят в них ЭДС соответственно самоиндукции и взаимной индукции, мгновенные значения которых вычисляют согласно закону электромагнитной индукции по формулам:
(1.7)
17
0
22
d
ew
dt
Φ
= −
. (1.8)
2
π
0
0
sin
2
m
t
π
ω
Φ=Φ −
0
,
2
π
ψ
Φ
= −
0
m
Φ
0
ψ
Φ
( )
1
1
sin
m
eE t
ωπ
= −
1
,
e
ψπ
= −
10
11
2
mm
E fw
π
= Φ
.
2
m
E
E =
1
11 0
4,44 ,E wf= Φ
0
0m
Φ=Φ
Известно, что магнитный поток Ф
ного к первичной обмотке трансформатора, на угол
отстает от напряжения u1, приложен-
0
, изменяясь при этом по
синусоидальному закону (см. рис. 1.6). Следовательно, можно записать:
,
(1.9)
,
где
Подставив значение потока Ф
— соответственно максимальное значение и начальная фаза потока Ф0.
в формулу (1.7), взяв производную и вы-
0
полнив соответствующие преобразования, будем иметь:
,
(1.10)
где
— максимальное значение ЭДС самоиндукции первичной
обмотки трансформатора, формируемое магнитным потоком Ф
при частоте f1
0
напряжения питающей сети.
Сравнивая формулы (1.2) и (1.10), нетрудно увидеть, что напряжение u
ЭДС самоиндукции е
находятся в противофазе (см.: рис. 1.6).
1
1
и
В расчетах режимов функционирования трансформаторов пользуются
действующими значениями ЭДС, которые связаны с максимальными значени-
ями соотношением
После соответствующих преобразований равенства (1.10) получим формулу для вычисления действующего значения ЭДС самоиндукции первичной
обмотки трансформатора:
(1.11)
допустив при этом, что
.
Поток рассеяния Ф
и через корпус трансформатора пересекают первичную обмотку и наводят в ней
ЭДС, действующее значение которой равно Е
невелик. Его силовые линии замыкаются по воздуху
σ1
.
σ1
18
Из теории электрических машин известно, что комплекс действующего
1
11
,E jI X
σ
= −
2
π
( )
2
2
sin
m
eE t
ωπ
= −
2
;
e
ψπ
= −
2
21 0
4,44 .E wf= Φ
0
I
α (3 10 ).= −
12
12
;.
mm
E E EE>>
12
12
;
mm
E E EE<<
значения ЭДС рассеяния первичной обмотки находится из равенства:
(1.12)
которое показывает, что ЭДС рассеяния первичной обмотки трансформатора
создает падение напряжения в этой обмотке, тем самым формируется ее индуктивное сопротивление.
Поскольку поток рассеяния Ф
ного потока Ф
, можно с известным допущением считать:
0
значительно меньше основного магнит-
σ1
U
≈ Em1, или U1 ≈ Е1. (1.13)
m
ЭДС, создаваемая потоком Ф во вторичной обмотке трансформатора, так
же, как и ЭДС первичной обмотки, отстает от потока Ф
на угол
0
, т.е. по ана-
логии с изложенным ранее, можно записать следующие равенства:
,
(1.14)
(1.15)
Временная диаграмма ЭДС e
граммы ЭДС Е
и Е2 и магнитного потока Ф0 показаны на рис. 1.7, на котором
1
можно увидеть, что вектор Ф
отстает от вектора
0
приведена на рис. 1.6, а векторные диа-
2
на угол α, называемый уг-
лом магнитного запаздывания (для большинства трансформаторов
Примечание. На рис. 1.6 и 1.7 приведены временные и векторные диа-
граммы ЭДС понижающего трансформатора, для которого выполняются условия
шающего трансформатора (
Аналогичные диаграммы можно построить и для повы-
).
При подведении к первичной обмотке трансформатора напряжения питающей сети, изменяющегося по синусоидальному закону с частотой f
, во вто-
1
ричной его обмотке возникает ЭДС взаимной индукции, значение которой прямо пропорционально значению магнитного потока, пересекающего обмотку,
числу ее витков и частоте перемагничивания магнитопровода трансформатора.
19
10 1н
(1 3) % от .II I= ≈−
– 1
ω
+1
+j
– j
U1
α
φ0
I
Φ0
.
.
I0
.
E1
E2 . .
0
0
– jI
μ
Рис. 1.7. Векторные диаграммы электрических величин,
поясняющие принцип действия трансформатора
1.4.2. Режим холостого хода трансформатора
Режим холостого хода трансформатора возникает при размыкании его
вторичной обмотки и подключении первичной обмотки к питающей сети. Такой режим рассмотрен ранее. Поэтому ограничимся тем, что подчеркнем следующие моменты:
1. Ток, протекающий по первичной обмотке, равен току холостого хода
трансформатора и составляет несколько процентов от его номинального значения, т.е.:
(1.16)
Небольшое значение тока I
нитного потока Ф
по магнитопроводу, выполненному из высококачественной
0
обеспечивается замыканием основного маг-
0
трансформаторной стали, и размещением первичной и вторичной обмоток
трансформатора на одном стержне магнитопровода в слоевом или чередующемся исполнении.
2. Степень преобразования первичного напряжения характеризуется ко-
эффициентом трансформации, определяемым как отношение ЭДС обмотки
высшего напряжения (Е
) к ЭДС обмотки низшего напряжения (ЕНН), т.е.:
ВН
20