Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Учебное пособие.pdf
− повышающие — вторичное напряжение больше первичного напряже-
A
X
a
x
U2
U2
U1
U2
U1
U3
U1
U2
д
a А B C b c n X Y
Z
a
б в г
а б в
ния трансформатора;
− разделительные — вторичное напряжение равно первичному напряже-
нию трансформатора.
Рис. 7.1. Стандартные условные обозначения трансформаторов:
U1 — первичное напряжение; U2, U3 — вторичное напряжение
5. По конструкции магнитопровода:
− с тороидальным магнитопроводом (рис. 7.2, а);
− со стержневым магнитопроводом (рис. 7.2, б);
− с броневым магнитопроводом (рис. 7.2, в).
Рис. 7.2. Конструкция магнитопровода однофазного трансформатора
101
6. По конструкции обмоток:
НН
ВН
НН
ВН
НН
НН
НН
ВН
б
а
− с концентрическими (катушечными) обмотками (рис. 7.3, а);
− с дисковыми (слоевыми) обмотками (рис. 7.3, 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. 7.3. 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.
102
7.2. 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.
103
7.3. 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. По-
этому сечение стержней магнитопровода стремятся приблизить к окружности.
Практически сечение стержней получается ступенчатой формы (рис. 7.4).
Число ступеней возрастает с увеличением внутреннего диаметра катушек об-
мотки. Например, в мощных трансформаторах число ступеней достигает 15
и более.
Рис. 7.4. Форма сечения стержней магнитопровода трансформатора
Обмотки трансформаторов выполняют из медных или алюминиевых изо-
лированных проводов прямоугольного или круглого сечения.
В современных трансформаторах первичную и вторичную обмотки рас-
полагают 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 обмот-
ки. 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.
104
Шахтные трансформаторы и трансформаторы малой мощности (до десят-
ков кВ∙А) общепромышленного исполнения изготавливают сухими, а осталь-
ные трансформаторы — масляными. Исключение составляют силовые транс-
форматоры, токоведущие части которых охлаждают по специальной техноло-
гии негорючим жидким диэлектриком или инертным сжиженным газом. В оте-
чественной практике такие трансформаторы не имеют широкого применения
из-за сложности обеспечения их эксплуатационной надежности.
У трансформаторов с воздушным охлаждением тепло, выделяемое в маг-
нитопроводе и обмотках, передается непосредственно в окружающую среду.
У трансформаторов с масляным охлаждением магнитопровод с обмотка-
ми 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 транс-
форматора. 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, предо-
храняя тем самым основной бак от деформаций.
7.4. Однофазные двухобмоточные трансформаторы
Как уже отмечалось ранее, двухобмоточный трансформатор имеет пер-
вичную 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 при-
сваивают индекс «1», а вторичной обмотки — индекс «2».
105
7.4.1. 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 пи-
тающей сети на первичную обмотку трансформатора.
Электромагнитная схема трансформатора приведена на рис. 7.5.
Поскольку обмотки трансформатора представляют собой реальные ка-
тушки индуктивности с ферромагнитным сердечником, то можно записать:
(7.1)
где Z
, R1, X1 — соответственно комплекс полного сопротивления, активное и
1
индуктивное сопротивления первичной обмотки, Ом;
, R2, X2 — то же — вторичной обмотки, Ом.
Z
2
Рис. 7.5. Электромагнитная схема
Если при разомкнутой вторичной обмотке трансформатора с числом вит-
ков w
подвести к первичной обмотке с числом витков w1, напряжение питаю-
2
щей сети изменяется по синусоидальному закону (рис. 7.6):
где U
ψ
ui
— максимальное значение напряжения сети;
m1
— начальная фаза этого напряжения.
однофазного двухобмоточного трансформатора
(7.2)
106
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:
(7.3)
где φ
— угол сдвига фаз между напряжением и током первичной обмотки
0
трансформатора (рис. 7.7).
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
(7.4)
Причем:
, (7.5)
где I
, Iµ — модули соответственно активной и индуктивной составляющих
0a
комплекса действующего значения тока холостого хода трансформатора, А.
u1,
,
е
1
е
2
Рис. 7.6. Временные диаграммы Φ
, u1, е1, е2
0
107
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 I w 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
. (7.6)
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:
(7.7)
108
0
22
d
ew
dt
Φ
= −
. (7.8)
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. 7.6). Следовательно, можно записать:
,
(7.9)
,
где
Подставив значение потока Ф
— соответственно максимальное значение и начальная фаза потока Ф0.
в формулу (7.7), взяв производную и вы-
0
полнив соответствующие преобразования, будем иметь:
,
(7.10)
где
— максимальное значение ЭДС самоиндукции первичной
обмотки трансформатора, формируемое магнитным потоком Ф
при частоте f1
0
напряжения питающей сети.
Сравнивая формулы (7.2) и (7.10), нетрудно увидеть, что напряжение u
ЭДС самоиндукции е
находятся в противофазе (см. рис. 7.6).
1
1
и
В расчетах режимов функционирования трансформаторов пользуются
действующими значениями ЭДС, которые связаны с максимальными значени-
ями соотношением
После соответствующих преобразований равенства (7.10) получим формулу для вычисления действующего значения ЭДС самоиндукции первичной
обмотки трансформатора:
(7.11)
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
109
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:
(7.12)
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. (7.13)
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:
,
(7.14)
(7.15)
Временная диаграмма ЭДС e
граммы ЭДС Е
и Е2 и магнитного потока Ф0 показаны на рис. 7.7, на котором
1
можно увидеть, что вектор Ф
отстает от вектора
0
приведена на рис. 7.6, а векторные диа-
2
на угол α, называемый уг-
лом магнитного запаздывания (для большинства трансформаторов
Примечание. На рис. 7.6 и 7.7 приведены временные и векторные диаграммы 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.
110