Мороз_Электротехника

84

Из выражения (9.1) видно, что при заданной мощности Р и при постоянном cos величина передаваемого тока обратно пропорцио нальна величине напряжения, при котором происходит передача элект -

рической энергии. Чем выше напряжение, тем меньше ток и вес

проводов.

Здесь имеет значение не только расход меди и ее стоимость, но и сложность монтажа, а также снижение надежности эксплуатации линии передач пои тяжелых проводах .

На величину тока влияет также величина коэффициента модности, по этот вопрос был рассмотрен в первой части курса, где была по казана экономическая целесообразность повышения коэффициента мод ности у потребителя.

Чтобы лучше понять влияние величины напряж ения на величину тока, рассмотрим пример передачи одной и той же мощности

при напряжении 220 и 220000В.

Пусть Р=1000кВт и cos 1,0 при U=220 B,согласно (9.1)

Если принять плотность тока 5 А мм2 , то сечение провода

и для передачи энергии потребуется провод диаметром 34 мм. Если ту же мощность передавать при

.

Генераторы переменного тока на электрических станциях трудно строить на напряжение вы ше 20 кВ из условий надежности изоляции. Но такое напряжение при передаче больших мощностей и на большие расстояния является не - достаточным. Поэтому дальнейшее повышение напряжения осуществля ется повышающими транс форматорами, у которых

84

85

нет подвижных частей, и работа их при той же изоляции более надежна.

При подходе к потребителям напряжение снова понижается.

3.2. Принцип действия трансформатора

На рис.9.2 приведена принципиальная схема трансформа тора. Трансформатор состоит из стального замкнутого магнитопровода и двух размещенных на нем обмоток –

первичной с числом обмоток w1 ,к которой подводится

напряжение сети U1 , и вторичной с числом витков w2 ,к которой может быть подключена нагрузка.

В основе работы трансформатора лежит принцип взаимоиндукции. При подключении первичной обмотки трансформатора к

синусоидальному напряжению U1 по этой обмотке пойдет

переменный ток 11 и в сердечнике возникнет переменный магнитный

По закону электромагнитной индукции этот поток, пронизывающий обе обмотки трансформатора, индуктирует в них

ЭДС, мгновенные значения которых:

85

86

2Фm E2m -амплитуда вторичной ЭДС

Действующие значения первичной и вторичной ЭДС

Это отношение называется коэффициентом трансформации трансформатора.

При номинальной н агрузке трансформатора его КПД очень высок, около 98 %. Это дает возможность в первом приближении считать оди наковыми первичную и вторичную полные мощности трансформатора:

S1 U1I1 S2 U2 I2

на основании чего отношение токов у нагруженного трансформатора можно считать обратным отношением напряжений:

I1 U2

I2 U1

Но, как увидим в дальнейшем, напряжения U1 и U 2 первичной

ивторичной обмоток с достаточной точностью можно

86

87

магнитным по током Ф зависимостью (9.4), поэтому и магнитный поток останется одинаковым при работе трансформатора под нагрузкой и при холостом ходе. По закону Ома для магнитной

Отсюда получим очень важную зависимость для трансформатора

(9.8)

Ознакомившись с принципом действия трансформаторов, перейдем к изучению явлений, сопровождающих работу трансформаторов при ра боте их в двух режимах: в режиме холостого хода и в рабочем режи ме.

3.3. Холост ой ход трансформатора

При этом режиме работы первичная обмотка трансформатора присоединяется к источнику переменного тока U1 , а вторичная обмотка остается разомкнутой. Под действием приложенного напряжения в первичной обмотке протека ет ток I10 , называемый

низывающий обе обмотки, и поток рассеян ия Ф1 р , замыкающий - ся полностью или частично в воздухе вокруг первичной

обмотки.

Основной магнитный поток индуктирует в первичной и во вторичной обмотках ЭДС:

Поток рассеяния Ф1 р индуктирует в первичной обмотке ЭДС рассеяние

e1 р 1 dФ1 р

dt

Мгновенное значение магнитного потока рассеяния

87

89

I10a обусловлен потерями в сердечнике катушки на гистерезис и вихревые токи. Величина тока холостого хода равна гипотенузе прямоугольного треугольника:

трансформатор повышающий). Далее по (9.9) находим и наносим на диаграмму (9.4) U1 . Для этого откладываем вектор ( -

E1 ) , прямо противоположный вектору E1 , к нему прибавляем вектор r1I10 , направленный параллел ьно току I10 , и вектор

Опыт холостого хода трансформатора

На рис.9.5приведена схема опыта холостого хода.

Мощность P ,

10

потребляемая трансформатором при холостом

89

Рис.9.5

90

ходе, затрачивается на магнитные потери в серде чнике и поте-

составляет лишь 4 -10 % от номи нального тока по сравнению с потерями в стали, поэтому можно счи тать, что мощность холостого хода трансформатора, измеренная ватт метром, практически затрачивается на потери в стали.

СЕЧЕНИЕ •

Рис. 9.6.

3 . 4 . Работа трансформатора при нагрузке

В нагрузочном режиме вторичная обмотка трансформато ра замкнута на сопротивление нагрузки (рис. 9 . 7 ) и по ней проходит ток I 2 . С возникновением тока I L в магнитной цепи трансформатора появля ется намагничивающая сила (н.с.) w2 I 2 .

90

91

Эта н.с. согласно принципу Ленца будет действовать несогласованно с основной н.с. w1I10 , стараясь ослабить

основной магнитный поток Фm .

Но в действительности ослабления магнитного потока не происходит, так как действие вторичной н.с. будет компенсироваться увеличением тока в первичной обмотке до величины, при которой восстанавливается н.с.

w1I10 , необходимая для возбуждения магнитного потока Фm . Это явление саморегулирования в трансформаторе станет понятным из следующих рассуждений. Посколь ку падение напряжения в первичной обмотке трансформатора ничтожно мало, можно считать, что E1 U1 .

Но так как напряжение сети обмотки:

E1 4,44 fw1Фm U1

тоже постоянна, можно заключить, что величина магнитного потока

Фm U1

4,44 fw1 , пропорциональная величине напряжения U1 , тоже останется постоянной. Следовательно, намагнич ивающая

.

сила w1 I 10 ,

отсюда

91

92

название приведенного тока к первичной обмотке и обозначается I 2 .

Приведенный ток I 2 , проходя по обмотке с числом витков w1 , оказывает такое же действие, как и действительный ток I 2 во вторичной обмотке с числом В И ТК О В w2 .

В нагрузочном режиме вторичная обмотка трансформатора замкну та на внешнее сопротивление нагрузки

Zн . В этой вторичной цепи действует ЭДС E2 .

Вторичная обмотка обладает активным сопротивлением r2 и индуктивным сопротивлением рассеяния X 2 р , которое в

дальнейшем будем обозначать X 2 . На рис.9 . 7 приведена электричес кая схема вторичной цепи трансформатора.

Положительное направление ЭДС вторичной обмотки E2 выбра но совпадающим с направлением ЭДС E1 , т.е. принято согласное направление токов I1 и I 2 (рис.9 . 2 ) .

Для цепи (рис. 9 . 7)составим уравнение по второму закону Кирхгофа, если обход замкнутого контура совпадает с

92

93

Из уравнения (9.13) видно, что в нагрузочном режиме напряжение U 2 на зажимах вторичной обмотки трансформатора меньше ЭДС E2 на величину падения напряжения в сопротивлениях обмотки.

Для удобства построения векторной диаграммы трансформатора в рабочем режиме, а также для дальнейшего изложения материала удоб но заменить все величины сопротивлений, тока и ЭДС вторичной ц епи (рис.9.7) величинами, приведенными к первичной цепи.

Приведенное значение ЭДС вторичной обмотки, которое

обозначим E2/ , найдем, из соотношения:

E1 / E2 w1 / w2

отсюда

(9.14)

а приведенное значение напряжения на зажимах обмотки:

Приведенное значение вторичного тока было найдено ранее:

ловия, чтобы потери мощности в сопротивлениях остались одинаковы -

93