Zagryadtskiy_elektr_mashiny_1

2. ТРАНСФОРМАТОРЫ

2.1. Общие сведения о трансформаторах

Трансформатор (от лат. transformo – преобразую) – устройство для преобразования, превращения, измерения видов, свойств или форм энергии.

В современной технике широко используются различные типы трансформаторов. В зависимости от их назначения это:

1.Силовые трансформаторы – предназначены для передачи и распределения электроэнергии в энергосистемах переменного тока.

2.Преобразовательные – используются для питания постоянным током выпрямительных установок, например, в металлургии, химической промышленности, на транспорте. Сюда же можно отнести их использование в выпрямительных и инвертирующих цепях в преобразователях частоты для пуска и регулирования числа оборотов двигателей переменного тока.

3.Электропечные трансформаторы – служат для питания разнообразного электротермического и электротехнологического оборудования, в том числе и высокой частоты.

4.Осветительные трансформаторы – применяются для электроснабжения жилых объектов, аэродромов, аэропортов и т.д.

5.Измерительные – служат для измерения напряжения в высоковольтных линиях, а также больших токов.

6.Сварочные трансформаторы – используются в сварочных аппаратах и электросварочных машинах.

7.Трансформаторы для улучшения качества электроэнергии: симметрирующие, с регулированием и стабилизацией напряжения.

8.Трансформаторы малой мощности для радиоэлектроники, в том числе миниатюрные и сверхминиатюрные, звуковой частоты и очень высоких частот.

9.Трансформаторы для медицинских приборов, например, для рентгеновских установок.

10.Трансформаторы для различных отраслей промышленности: автомобильной, судовой, авиационной и т.д..

11.Трансформаторы взрывобезопасные для электроприемников, устанавливаемые во взрывоопасных зонах и другие.

Таким образом, область применения трансформаторов чрезвычайно обширна. Практически во всех случаях трансформаторы являются важнейшими элементами машин, устройств, аппаратов в технике.

30

Трансформатор характеризуется номинальными величинами – мощностью, первичным и вторичным напряжениями, первичным и вторичным токами, частотой, коэффициентом мощности, коэффициентом полезного действия, напряжением короткого замыкания, потерями при холостом ходе и коротком замыкании, схемой и группой соединения обмоток при номинальных условиях места установки и охлаждающей среды.

Под номинальными величинами понимаются величины, указываемые заводом-изготовителем на заводском щитке трансформатора.

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и обмотки. Магнитопровод – магнитная цепь, предназначенная для проведения основного магнитного потока. Под первичной обмоткой понимается обмотка, к которой подводится энергия преобразуемого напряжения U1 и тока I1 . Вторичная обмотка – обмотка, от которой отбирается энергия преобразованного переменного тока с напряжением U 2 .

Повышающий трансформатор – трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка низшего напряжения, т.е. U2 >U1

(W1 <W2 ), а в понижающим трансформаторе первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения, U1 >U2 , (W1 >W2 ). В согласующем трансформаторе на первичной и вторичной обмотках напря-

жение одно и тоже, U1 =U2 (W1 =W2 ).

Важным понятием в трансформаторе является класс напряжения. Он устанавливается в зависимости от мощности и величины напряжения высоковольтной обмотки. Так, например, силовые трансформаторы второго габарита мощностью от 100 до 1000 кВА имеют обмотку высокого напряжения на 35 кВ. Класс напряжения трансформатора будет 35 кВ.

2.2.Физические процессы в идеализированном трансформаторе при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход трансформатора)

Рассмотрим идеализированный однофазный трансформатор при холостом ходе. В этом случае вторичная обмотка разомкнута, следовательно, вторичный ток i2 равен нулю и вторичное напряжение U2 =U20 . В идеальном трансформаторе сопротивление первичной об-

31

т.е. напряжение уравновешивается только ЭДС с обратным знаком.

где U1m и E1m – амплитудные значения напряжения и ЭДС. По (2.1)

U1m = E1m .

Подставим (2.4) в (2.3), получим

где А – постоянная интегрирования, физически представляющая постоянный магнитный поток. При отсутствии подмагничивания сердечника постоянным полем А = 0, и магнитный поток равен

32

Фm – амплитудное значение потока, равное

где U1 – действующее значение напряжения, f – частота приложенного напряжения. Из выражения (2.7) значение U1 равно

где U 20 – номинальное действующее вторичное напряжение при холостом ходе трансформатора и номинальном первичном напряжении.

В ряде практических случаев важна такая величина, как действующее значение напряжения на один виток Uв

В трансформаторах мощностью от 180 до 1800 кВА Uв =5 – 18 В.

Пример 1. Дан трансформатор со следующими данными. Число витков первичной и вторичной обмоток W1 =1100, W2 =94. Первичное напряжение U1 =6000 В, индукция B =1,4 Тл, частота f =50 Гц. Оп-

33

ределить напряжение вторичной обмотки U2 , сечение стержня S , напряжение на виток Uв .

Решение:

Вторичное напряжение

Удобно магнитный поток представить через индукцию В и сечение стержня S , тогда формулы (2.7) и (2.8) имеют вид:

и чаще используются на практике.

Индукция в стержнях выбирается в пределах 1.4 – 1.65 Тл. Применим к устройству, рис. 1.1, закон полного тока. Изображенный на рис. 1.1 магнитопровод является однородным,

следовательно, напряженность магнитного поля является величиной постоянной. Длина пути l совпадает со средней длиной магнитного сердечника. Ток протекает по обмотке с числом витков W1 . При этих условиях закон полного тока запишется:

Выясним влияние на форму тока i0 свойств ферромагнитного ма-

териала сердечника при синусоидальном изменении напряжения. На рис. 2.1 приведена кривая намагничивания 1 B f ( H ) материала сердечника и кривые изменения магнитной индукции 2 и 3 в функ-

34

ции времени. Кривая 2 соответствует ненасыщенному, а кривая 3- насыщенному значениям магнитной индукции и задаются соответствующими напряжениями, подведенными к первичной обмотке. Проектируя значения индукции 2 и 3 на кривую намагничивания, находим кривые изменения напряженности 4 и 5 без насыщения и с насыщением. Из рисунка видно, что кривая 4 является синусоидальной, а кривая 5 – несинусоидальной, пикообразной. Несинусоидальная кривая напряженности H может быть приближенно представлена частью степенного полинома

H a1 B a3 B3

где a1 и a3 – численные коэффициенты, зависящие от вида кривой

намагничивания. Они могут быть определены, если заданы две пары значений напряженности и индукции ( H1 , B1 ) и ( H 2 , B2 ), лежащие на кривой.

Рис. 2.1. Построение кривой напряженности H =f (t)

35

А так как напряженность магнитного поля может быть создана только током (2.14), то кривые 4 и 5 в другом масштабе представляют собой токи, протекающие в первичной обмотке. Чем больше насыщение магнитопровода, тем больше искажается кривая тока холостого хода.

Пример 2. Определить ток холостого хода однофазного трансформатора, магнитопровод которого выполнен из стали марки 3413 с данными: мощность 20000 кВА, число витков первичной обмотки W1 =100, средняя длина магнитной силовой линии l =9,5 м, индукция в сердечнике 1,5 Тл.

Решение:

Найдем коэффициенты аппроксимации полинома

Амплитудное значение третьей гармоники тока холостого хода

Действующие значения первой и третьей гармонических тока холостого хода

36

Действующее значение намагничивающего тока (тока холостого хода)

Построим векторную диаграмму устройства. В этом случае все составляющие еѐ величины, должны быть представлены в комплексном виде. Несинусоидальная кривая тока приближенно заменяется эквивалентной синусоидой. В случае отсутствия потерь в сердечнике изменение тока во времени совпадает с изменением магнитного потока. Поэтому ток носит чисто индуктивный характер.

На рис. 2.2 представлена векторная диаграмма идеализированного трансформатора, построенная на основании выра-

жений (2.4), (2.5), (2.6).

Энергия магнитного поля Wm обмотки равна

где V – объем магнитного сердечника,

l – средняя длина магнитной силовой линии.

37