Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Электротехника Ч1

.pdf
Скачиваний:
38
Добавлен:
22.03.2015
Размер:
3.18 Mб
Скачать

121

По конструктивному исполнению реле разделяются на три группы: обычные, малогабаритные и специальные. В каждой из этих групп реле разделяются по напряжению – на 12 и 24В.

По схеме коммутации реле разделяются на замыкающие, размыкающие и переключающие, а по режиму работы на реле продолжительного и кратковременного режима.

Для удобства монтажа и замены на транспортных средствах, реле имеют штекерные выводы и устанавливаются в едином блоке с предохранителями. В сильноточных цепях с токами больше 50А используются контакторы на 12В и 24В с замыкающими контактами и на 24В с переключающими контактами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9.1.Как и почему воздушный зазор магнитопровода влияет на ток намагничивающей обмотки?

9.2.Изобразите ВАХ магнитопровода и поясните ее ход. Какое физическое явление положено в основу построения ферромагнитного стабилизатора?

9.3.Сформулируйте определение для устройства, называемого электрическим ап-

паратом.

9.4.Приведите классификацию электрических аппаратов.

9.5.Какие физические явления положены в основу работы электрических аппара-

тов?

9.6.Назовите обязательные составные части электрических аппаратов.

9.7.Приведите уравнение баланса энергии намагничивающей катушки электрических аппаратов.

9.8.В чем заключаются особенности работы электромагнитных механизмов переменного тока?

9.9.Отчего возникает и как устраняется вибрация якоря электромагнитного механизма переменного тока?

122

ЛЕКЦИЯ 10. ТРАНСФОРМАТОРЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ

Для практических целей трансформатор впервые был применен в 1876 году П.Н. Яблочковым. Он использовался в цепи питания электрических свечей. Широкое применение трансформаторы получили после того, как М.О. Доливо-Добровольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора (1891г.).

Под трансформатором понимают статическое (т.е. без движущих-

ся частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразо-

вания переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины, но той же частоты.

Трансформатор состоит из двух и более обмоток, электрически изолированных друг от друга и охваченных общим магнитным потоком (рис. 10.1). Для усиления индуктивной связи между обмотками они размещаются на магнитопроводе. Передача энергии от источника к нагрузке происходит посредством переменного магнитного поля в магнитопроводе.

Магнитопроводы трансформаторов, предназначенных для работы в области низких частот, выполняют двух типов: пакетные и спиральные. Пакетные магнитопроводы состоят из тонких пластин ферромагнитного материала кольцевой, П или Ш- образной формы. Спиральные магнитопроводы изготавливают из тонкой ферромагнитной ленты в виде туго навитой часовой пружины. Пластины и отдельные витки спирали изолируют друг от друга лаком,

123

жидким стеклом и т.п. веществами и запекают. Для уменьшения вихревых токов, магнитопроводы собирают из листовой электротехнической стали.

 

 

Ф

 

I1

 

 

I2

U1

ϖ1

ϖ2

U2

 

Рис. 10.1. Упрощенная схема

 

 

однофазного трансформатора

 

Под воздействием переменного тока в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф(t). В плоскости листа, перпендикулярной магнитному потоку, наводится Э.Д.С., которая вызывает ток, называемый вихревым. Вихревые токи по закону Ленца стремятся создать поток, встречный основному, что равноценно потерям энергии.

Потери на гистерезис и вихревые токи P Г .В. пропорциональны дей-

ствующему значению приложенного к индуктивности напряжения и обратнопропорциональны сопротивлению R Г .В.

U 2

PГ .В. = RГ .В. .

Для уменьшения потерь увеличивают R Г .В. . В этих целях сердечник изготавливают из тонких листов высококачественного магнитомягкого материала. Часто потери на гистерезис и вихревые токи объединяют и называют потерями в стали – РС.

Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания, называется первичной. Все величины, относящиеся к этой обмотке: число витков, напряжение, ток и т.д., – также именуются первичными. Их буквенные обо-

124

значения снабжаются индексом 1, например, ϖ1,U1, I1 (здесь применяются обозначения действующих значений тока и напряжения). Обмотка, к которой подключается нагрузка (потребитель электроэнергии) и относящиеся к ней величины, называются вторичными. Они снабжаются индексом 2.

Различают однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. У трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой принято называть соответственно совокупность трех фазных обмоток одного напряжения.

Основные условные графические обозначения однофазного (а, б) и трехфазного (в, г) трансформаторов показаны на рис. 10.2.

На паспортном щитке трансформатора указывается его номинальное напряжение - высшее и низшее, в соответствии с чем следует различать обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН) трансформатора. Кроме того, на щитке указывается полная номинальная

мощность (В А или кВ А), токи (А) при полной номинальной мощности, частота, число фаз, схема соединения, режим работы (длительный или

кратковременный) и способ охлаждения (воздушный или масляный).

Если первичное напряжение U1 трансформатора меньше вторичного U2, то он работает как повышающий трансформатор; в противном случае

(U1> U2) – как понижающий.

125

Одним из основных параметров трансформаторов является коэффици- ент полезного действия (КПД) – η. Его оценивают отношением активной мощности, передаваемой в нагрузку – Р2, к активной мощности, поступающей в первичную обмотку трансформатора – Р1, т. е.

η = Р2/Р1.

Как и любое техническое устройство, трансформатор имеет потери энергии. Это потери в стали РС и потери в проводах РПР первичной и вторичной обмоток трансформатора. Распределение потерь наглядно демонстрирует энергетическая диаграмма рис. 10.3.

РПР2

РПР1

РС

Следует подчеркнуть, что диаграмма иллюстрирует только качественную картину распределения потерь активной мощности на элементах конструкции трансформатора. Количественно потери составляют единицы процентов от общей мощности. Трансформаторы обладают очень высоким КПД, значение которого, для мощных силовых трансформаторов достигает 99%.

Трансформаторы играют важную роль в электроэнергетических системах. Они осуществляют многоступенчатую трансформацию напряжений, обеспечивая экономичную передачу электроэнергии. Число ступеней трансформации практически совпадает с сеткой номинальных напряжений:

0,22; 0,38; 0,66; 1,0; 3,0; 6,0; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 350; 500; 750; 1050 кВ.

Трансформаторы, используемые в системах распределения электроэнергии, называются силовыми. Они имеют полную номинальную мощность

от 10 кВ·А до 1 млн. кВ·А.

126

Всварочных трансформаторах используется возможность снизить напряжение до безопасного уровня и обеспечить гальваническую развязку рабочего места с цепью высокого напряжения.

Вустройствах промышленной электроники применяют высокочас- тотные и импульсные трансформаторы, мощность которых изменяется в пределах от нескольких милливатт до 1000 В·А.

Свойства трансформаторов используется в измерительной технике. Они позволяют измерять параметры цепей высокого напряжения на стороне вторичной обмотки, имеющей низкое напряжение и хорошее заземление.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Принцип работы однофазных трансформаторов рассмотрим по схеме рис.10.4. При подключении источника напряжения u(t) в первичной обмот-

ке трансформатора возникает ток i1 (t) . Далее будем пользоваться дейст-

вующими значениями используемых физических величин.

Ток I1 приводит к появлению магнитодвижущей силы первичной об-

мотки

F1 = ϖ 1 I1 = H1 lср

= Ф1

lср

 

 

 

 

S

.

(10.1)

 

 

µ0 µr

 

 

127

Магнитодвижущая сила F1 возбуждает в магнитопроводе магнитный поток Ф1 , причем

Ф = µ

µ

r

S

ϖ 1 I1

.

(10.2)

 

1 0

 

 

lср

 

 

 

 

 

 

Магнитный поток Ф1 индуцирует в первичной обмотке трансформа-

тора Э.Д.С. самоиндукции еL1 (t) , а во вторичной обмотке – Э.Д.С. взаимной индукции eM 2 .

Замкнем цепь вторичной обмотки. Под воздействием ЭДС взаимной индукции через нагрузку Z2 потечет ток I2 , возникает магнитодвижущая сила F2, и магнитный поток Ф2, причем

Ф2

= µ 0 µ r S

ϖ 2 I 2

.

(10.3)

 

 

 

lср

 

Для указанных на рис.10.2 направлений намотки обмоток трансформатора и выбранных положительных направлений токов I1 и I2 магнитные потоки Ф1 и Ф2 встречные. Поэтому в магнитопроводе создается результирующий магнитный поток

Ф = µ0 µr S

ϖ1 I1 ϖ 2 I2

.

(10.4)

 

 

lср

 

Этот поток пересекает витки обеих обмоток трансформатора и наводит в них результирующие Э.Д.С. е1 и е2 .

Помимо основного магнитного потока Ф (по 10.4) в реальном трансформаторе существуют потоки рассеяния первичной ψ 1 рас и вторичной

ψ 2 рас обмоток. Для количественной оценки потоков ψ1 рас и ψ 2 рас вводят понятие эквивалентной индуктивности рассеяния так, что

L1 рас = ψ1 рас / I1 ; L2 рас = ψ 2 рас / I2 .

Кроме того, обмотки реального трансформатора обладают активными

128

сопротивлениями R1 и R2. Чтобы учесть перечисленные величины при анализе работы трансформатора, переходят к его схеме замещения (рис.10.5).

.

Часть схемы, выделенная на рис. 10.5 пунктиром, не имеет активных сопротивлений и потоков рассеяния, а поэтому называется идеализирован- ным трансформатором. К нему применимы все соотношения, полученные в лекции №8. Однако для получения простых и наглядных соотношений параметров трансформатора необходимо преодолеть еще одну трудность.

Дело в том, что трансформатор в расчетном эквиваленте представляет собой нелинейную цепь. Значит, к его анализу необходимо применять теорию нелинейной алгебры. Чтобы уйти от этого, гистерезисную зависимость В = f(H) заменяют эквивалентным эллипсом (рис.10.6), построенным так, что его площадь не менее чем на 95% перекрывает площадь петли гистерезиса.

Если теперь зависимости B = f(H), В = f (t) ; Н = f (t) выражать через

129

параметры эллипса, то возникающие за счет отклонения от петли гистерезиса погрешности оказываются пренебрежимо малыми для практических целей. Главное в том, что переход к параметрам эквивалентного эллипса позволяет получить простые линейные выражения в представлении величин В(t) и Н(t) с помощью тригонометрических функций:

В(t) = Bm sin ωt ,

 

 

(10.5)

H (t) = Hm sin(ωt + δ ) ,

 

(10.6)

где δ - сдвиг фазы между Н(t) и В(t).

 

 

 

 

 

 

 

От выражений (10.5) и (10.6) легко перейти к показательной ком-

плексной форме представления. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

&

 

Bm

 

&

Hm

 

 

 

B =

j

 

 

 

; H =

 

 

 

e

 

,

(10.7)

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая соотношения (8.3), (8.15) и (10.7), связь между напряжением и магнитной индукцией представим в виде:

&

Bm

 

 

 

 

U = jω ϖ S

 

 

 

= jU

0

,

2

 

 

 

 

 

а связь между током и напряженностью магнитного поля выражением:

I& =

H

m

lср

е = I e jδ .

(10.8)

 

 

 

 

 

 

2ϖ

 

Теперь можно перейти к оценке основных параметров трансформатора. Учитывая (8.3), (8.15) и (10.7), определяем напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора:

 

&

 

&

(10.9)

 

U1

= jωϖ1Ф,

&

 

&

&

(10.10)

U2

= jωϖ 2Ф = I2 Z2 .

Эти напряжения полностью уравновешиваются Э.Д.С. первичной Е1

 

 

 

 

&

и вторичной Е2 обмоток:

 

 

 

 

 

&

= − jωϖ

&

(10.11)

 

Е1

1Ф ,

130

Е&2 = − jωϖ 2Ф& .

Отношение (10.10) к (10.9):

U&2 = ϖ 2 = n21

U& ϖ

1 1

называется коэффициентом трансформации.

Подставим в выражение для U&1 значение Ф из (10.4):

U&1 = jωϖ1µ0 µr S ϖ 1I&1 lϖ 2 I&2 .

ср

(10.12)

(10.13)

(10.14)

Если разомкнуть цепь вторичной обмотки, то ее ток I2 станет равным нулю. При этом в цепи первичной обмотки будет протекать ток холостого хода, т.е. I1 = I1x , а выражение (10.14) примет вид:

&

 

ϖ 1I&1x

 

 

U1

= jωϖ1µ0 µr S

lср

.

(10.15)

 

 

 

 

Но U&1 - это напряжение источника. Оно не зависит от режима работы трансформатора. Значит, левые части равенств (10.14) и (10.15) равны. Отсюда следует, что равны и правые части. Приравнивая их, определим ток холостого хода трансформатора.

&

&

&

ϖ 2

&

&

 

 

I1x = I1

I

2

ϖ 1

= I1

I2

n21 .

(10.16)

 

 

 

 

 

 

 

 

Последнее выражение показывает, что ток холостого хода равен разности токов первичной и вторичной обмоток, причем ток вторичной обмотки пересчитан к виткам первичной обмотки. Ток холостого хода мал и у мощных трансформаторов составляет единицы процентов от номинального значения.

Произведение

I

2

n

21

= I

 

 

2

называют приведенным током вторичной обмотки. Для оценки качества

трансформатора кроме I пользуются приведенным сопротивлением на-

2