Тема : «Трансформаторы»

1. Конструкция, принцип действия и назначение всех частей.

2. Основные электрические соотношения в трансформаторе.

3. Приведенный трансформатор и его схема замещения (полная и упрощенная).

4. Холостой ход трансформатора.

5. Из каких составляющих состоит ток холостого хода, факторы влияющие на значения этих составляющих.

6. Факторы, влияющие на потери в стали.

7. Факторы, влияющие на потери в меди.

8. Как проводится опыт ХХ и его схема.

9. Для чего проводится опыт ХХ.

10. В какой части трансформатора и почему пренебрегают потерями в опыте ХХ.

11. Почему коэффициент трансформации определяют по результатам измерения напряжений в опыте ХХ, а не под нагрузкой?

12. Какие параметры схемы замещения и как определяются из опыта ХХ?

13. Виды короткого замыкания трансформатора?

14. Методика проведения опыта КЗ и его схема.

15. В какой части трансформатора и почему пренебрегаем потерями в опыте КЗ?

16. Для чего проводят опыт КЗ?

17. Какие параметры схемы замещения и как определяется из опыта КЗ?

18. Внешняя характеристика трансформатора (объяснить ее поведение). Почему ток влияет на U₂ .

19. Процентное изменение напряжения.

20. КПД трансформатора.

21. Когда КПД достигает максимума?

22. Как определяется напряжение короткого замыкания трансформатора?

23. Почему КПД определяется расчетным путем, а не по отношению измеренных P₂ и P_1.

24. Какие потери называются постоянными и почему?

25. Какие потери называются переменными и почему?

26. Какие факторы влияют на магнитный поток в сердечнике?

27. Почему трансформатор не может работать в цепях постоянного тока?

28. Что такое коэффициент трансформации?

29. При какой нагрузке изменение вторичного тока не влияет на напряжение на вторичной обмотке.

30. Специальные трансформаторы (автотрансформаторы, сварочные трансформаторы, измерительные трансформаторы).

1.Конструкция, принцип действия и назначение всех частей.

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 1.1), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток трансформатора. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока – электрической сети с напряжением сети u₁. К вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Zн.

Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки. Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом. Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.

Для уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28-0,5 мм при частоте 50 Гц.

В современных трансформаторах первичную и вторичную обмотки стремятся расположить для лучшей магнитной связи как можно ближе одну к другой.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i₁, который создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – е₁ и е₂ пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w₁ и w₂ соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке.

; .

2.Основные электрические соотношения в трансформаторе.

C учетом ЭДС самоиндукции и падений напряжения в активных сопротивлениях обмоток можно составить комплексные уравнения для первичной и вторичной обмоток трансформатора.

где:  - сопротивление нагрузки, подключенной к трансформатору.

3.Приведенный трансформатор и его схема замещения (полная и упрощенная).

 В электрических цепях обмотки трансформаторов связаны между собой магнитным полем. Это усложняет расчет цепи и анализ ее работы.

Поэтому целесообразно заменить трансформатор его моделью, которая называется схемой замещения. Построение схемы замещения должно удовлетворять требованиям, предъявляемым к моделям, т. е. математическое описание режима схемы замещения должно совпадать с математическим описанием электрического состояния трансформатора.

Приведенный трансформатор имеет приведенные (скорректированные) параметры .

     .

Из определения  приведенного трансформатора имеем

 ;

 

, т.е.    ;

 

 т.е.  ;

 

 .

                                                              а

 

Рис. 1.2. Cхема трансформатора (а) и T-образная схема замещения

трансформатора (б)

Вследствие малости тока намагничивания I₀  цепью намагниченности можно пренебречь. Тогда получим упрощенную схему замещения (рис. 1.3).

 

Рис. 1.3. Упрощенная Г-образная схема замещения трансформатора

4. Холостой ход трансформатора.

Под холостым ходом трансформатора понимается режим его работы при разомкнутой вторичной обмотке.      Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного напряжения. Ток i_1х первичной обмотки создает переменное магнитное поле, намагничивающее сердечник трансформатора.         Магнитный поток в трансформаторе разделим на две части: основной магнитный поток Ф, замыкающийся в сердечнике, и поток рассеяния Ф_1S, замыкающийся частично по воздуху.         На рис. 1.3 изображен трансформатор, работающий в режиме холостого хода.

  Рисунок 1.3 – Режим х.х. однофазного трансформатора

          В режиме холостого хода          Коэффициент трансформации                        Опыт холостого хода трансформатора проводят для определения коэффициента трансформации, мощности потерь в стали и параметров намагничивающей ветви схемы замещения, проводят его обычно при номинальном напряжении первичной обмотки.

По результатам опыта имеем параметры холостого хода:

• приложенное первичное напряжение U₁;

• вторичное напряжение U₂ = E₂;

• ток холостого хода I₀;

• мощность, потребляемая на холостом ходу P₀.

Полезная мощность трансформатора P₂ = 0, но потребляемая мощность P₀ расходуется на магнитные потери (потери в стали Р_ст от перемагничивания сердечника) и электрические потери в первичной обмотке ; но так как  от I_1Н, то этими потерями в обмотке можно пренебречь.

Потери мощности в стали P_ст с изменением нагрузки остаются неизменными.

Потери холостого хода затрачиваются на потери мощности от вихревых токов, наводимых в магнитопроводе, и от перемагничивания петли гистерезиса.

Для однофазного трансформатора на основе данных опыта холостого хода можно рассчитать:

– коэффициент трансформации

– процентное значение тока холостого хода

– активное сопротивление ветви намагничивания r0, определяемое из условия

– полное сопротивление ветви намагничивания

– индуктивное сопротивление ветви намагничивания

Часто определяют также коэффициент мощности холостого хода:

4. Из каких составляющих состоит ток холостого хода и факторы влияющие на значения этих составляющих.

При холостом ходе трансформатора по его первичной обмотке течет ток холостого хода I0. У идеального трансформатора (не имеющего потерь) это будет чисто намагничивающий ток, т. е. ток, создающий намагничивающую силу (ампер-витки), необходимую для образования в магнитопроводе главного магнитного потока Ф, сцепленного с обеими обмотками трансформатора.У реального трансформатора ток холостого хода состоит из реактивной (намагничивающий ток) и активной (компенсирующей потери холостого хода) составляющих.Иногда последовательная схема замещения контура намагничивания заменяется на параллельную, как это показано на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 – Активная и реактивная составляющие тока х.х.

Активная составляющая тока холостого хода идет на покрытие потерь мощности:

                 .         

Реактивная составляющая тока холостого хода создает основной магнитный поток:

      

Ток холостого хода и его составляющие обычно выражают в % от номинального тока.

Активная составляющая

i_0a=(P_x/S)·100 %,

Что касается намагничивающего тока i_op, то его величина при определенном значении индукции, так же как и потери холостого хода, зависит в первую очередь от сорта применяемой стали и конструкции магнитопровода.Расчет намагничивающей мощности, потребляемой сталью магнитопровода, производится аналогично расчету потерь. Значения удельной намагничивающей мощности q берутся по таблице, составленной для каждого сорта стали на основе опытных данных.

4. Факторы влияющие на потери в стали.

Потери в стали определяются энергией, затраченной на перемагничивание железа трансформатора и соответствуют току холостого хода трансформатора (за вычетом потерь на активом сопротивлении первичной обмотки этой величиной можно пренебречь).

Т. к. E₀₁=4,44fw₁_0m=4,44fw₁ BQ_ст, то

P_oc B_m ² _0m ² E₀₁ ², следовательно, потери в стали зависят от частоты переменного тока в сети, характеристик стали, подведенного напряжения.

Чтобы их уменьшить, необходимо уменьшить напряжение сети или увеличить частоту сети.

Потери в стали состоят из двух видов потерь:

• потери из-за вихревых токов;

• потери на циклическое перемагничивание.

Возникновение вихревых токов в сердечнике можно объяснить следующим образом. Сердечник, изготовленный из стали, представляет собой металлический проводник, помещённый в переменное магнитное поле. В сердечнике так же, как и в витках любой обмотки, будет создаваться индуктированная Э.Д.С., и по сердечнику будет протекать ток. Так как сечение сердечника велико, то его электрическое сопротивление мало. Поэтому токи, протекающие в сердечнике, достигают больших величин. При этом происходит активное расходование энергии и преобразование её в тепло, которое нагревает сердечник.

Величина потерь второго вида, т.е. потерь, возникающих при циклическом перемагничивании, сильно зависят от материала сердечника. Материал сердечника можно представить как бы состоящим из большого числа элементарных магнитиков (магнитных диполей), которые в обычном состоянии расположены хаотически. При внесении такого материала в магнитное поле магнитные диполи начинают поворачиваться в направлении действия магнитного поля. Если магнитное поле переменное, то диполи будут периодически поворачиваться сначала в одну, а потом в другую сторону с частотой изменения данного поля. При этом возникают силы трения и энергия магнитного поля также переходит в тепло, нагревающее сердечник.

Потери на перемагничивание значительно уменьшаются, если в качестве материала сердечника трансформаторов применить специальную магнитомягкую сталь, имеющую определённый состав и структуру.

Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник собирается не из монолитных стальных брусков, а из отдельных изолированных друг от друга пластин толщиной в несколько десятых долей миллиметра. Кроме того, в состав материала сердечника вводится в качестве присадки кремний. И то и другое способствует увеличению электрического сопротивления сердечника, которое, в свою очередь, влечёт за собой уменьшение величины вихревых токов.

7.Факторы влияющие на потери в меди.

Потери в меди характеризуют потери на активном сопротивлении вторичной обмотки. Чем больше ток, тем больше потери в меди. Потери в меди характеризует параметр Uк трансформатора.

Потери в меди обуславливаются наличием в проводах обмоток трансформатора электрического сопротивления. Ток, протекающий в обмотке, создаёт на таком проводнике падение напряжения. На обмотке развивается некоторая электрическая мощность и часть энергии преобразуется в тепло, нагревающее обмотку.

Потери в меди можно уменьшить также путём увеличения сечения проводов обмоток. Однако при этом значительно увеличатся размеры, вес и стоимость трансформатора. Поэтому увеличение сечения проводов производится лишь до такой величины, при которой не наблюдается заметного нагрева обмоток.

Можно сделать вывод, что потери в меди зависят от характеристик проводника:

где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l — длина проводника, м, а S — площадь сечения, м²

Сопротивление однородного проводника также зависит от температуры.

8.Как проводится опыт ХХ и его схема (см. вопрос 4).

9. Для чего проводится опыт х.х?

Для определения параметров схемы замещения, коэффициента трансформации, потерь в стали.

10. В какой части трансформатора и почему пренебрегают потерями в опыте ХХ.

При х.х. полезная мощность трансформатора P₂ = 0, а потребляемая мощность P₀ расходуется на магнитные потери (потери в стали Р_ст от перемагничивания сердечника) и электрические потери в первичной обмотке ; но так как  от I_1Н, то этими потерями в обмотке можно пренебречь.

10. Почему коэффициент трансформации определяют по результатам измерения напряжений в опыте ХХ, а не под нагрузкой?

 В режиме холостого хода   ,       Коэффициент трансформации                       

10. Какие параметры схемы замещения и как определяются из опыта ХХ?

(см. вопрос 4)

10. Виды короткого замыкания трансформатора?

Различают :

• внезапное короткое замыкание, происходящее в эксплуатационных условиях и сопровождающееся резкими всплесками тока;

• к.з. при его испытании для получсния необходимых данных.

Для трехфазных трансформаторов существует:

• симметричное (или трехфазное к.з., )

• нессиметричное к.з. (однофазное, двухфазное, двухфазное на нейтраль).

10. Методика проведения опыта К.З. и его схема.

Режимом короткого замыкания трансформатора называют режим, когда вторичная обмотка замыкается накоротко (z_н = 0), а к первичной подводят такое пониженное напряжение U_K, при котором токи в обмотках должны быть равными номинальным ; . Напряжение U_K составляет всего (5 12)% от номинального первичного напряжения

                                              .               

Режим короткого замыкания осуществляется по схеме, приведенной на риунок 1.5.

Из опыта короткого замыкания имеем:

– приложенное напряжение U_1k (U_2k = 0);

– токи в обмотках I_1k и I_2k;

– мощность потребления в режиме короткого замыкания P_k.

Рисунок 1.5 - Схема опыта короткого замыкания

Магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, находится в прямой зависимости от приложенного напряжения. Но как было отмечено выше, напряжение U_1k весьма незначительно, поэтому магнитный поток очень мал, что позволяет допустить:

– ток намагничивания I₀ близок к нулю и им можно пренебречь, поэтому в схеме замещения для режима короткого замыкания (рис. 14.6) контур намагничивания отсутствует, а ;

– вся мощность, потребляемая из сети, расходуется на покрытие электрических потерь (потери в меди обмоток P_M).

                                                   ,                           

где  – коэффициент загрузки трансформатора;

при , .

Рисунок 1.6 - Схема замещения приведенного трансформатора в режиме короткого замыкания

По полученным данным из опыта короткого замыкания можно рассчитать следующие величины:

– коэффициент трансформации ;

– коэффициент мощности короткого замыкания

                                                         ;                          

– напряжение короткого замыкания по формуле в процентах;

– полное сопротивление .

Согласно схеме замещения трансформатора в режиме короткого замыкания:

                                             ;                   

Активная и реактивная составляющие полного сопротивления короткого замыкания

                                            

                                  

Напряжение короткого замыкания в процентах можно также определить по следующему выражению

                                                                                 

Тогда активная и реактивная составляющие

                                                                                 

     при этом, не забывая, что .

10. В какой части трансформатора и почему пренебрегаем потерями в опыте К.З.?

К первичной подводят такое пониженное напряжение U_K, которое составляет всего (5 12)% от номинального первичного напряжения

                                              .              

Магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, находится в прямой зависимости от приложенного напряжения. Но как было отмечено выше, напряжение U_1k весьма незначительно, поэтому магнитный поток очень мал, что позволяет допустить:

– ток намагничивания I₀ близок к нулю и им можно пренебречь, а соответственно и магнитными потерями в стали

– вся мощность, потребляемая из сети, расходуется на покрытие электрических потерь (потери в меди обмоток P_M).

                                                                                                                    

10. Для чего проводят опыт К.З.?

См. вопрос 14.

10. Какие параметры схемы замещения и как определяется из опыта К.З?

См. вопрос 14.

18. Внешняя характеристика трансформатора (объясните ее поведение). Почему ток влияет на U₂.

Важнейшая характеристика трансформатора – внешняя характеристика, представляющая собой зависимость напряжения U₂ на выходе от тока I₂ при U₁=const.

У идеализированного трансформатора U₂=U₁/n=const, т. е. напряжение U₂ не зависит от нагрузки. Поэтому его внешняя характеристика идёт параллельно оси I₂, напряжение U₂ равно напряжению холостого хода U_2х.

У реального трансформатора происходит рассеивание магнитного поля (т.е. не весь магнитный поток замыкается по магнитопроводу) и падение напряжений на активных сопротивлениях обмоток. При обычной нагрузке напряжение U₂ уменьшается с ростом тока I₂, и внешняя характеристика имеет вид наклонной прямой.

Чем болше сопротивления R₁ и X₁, R₂ и X₂, тем больше отличаются напряжения U₁ и U₂ от идеальных значений. Изменение вторичного напряжения .