l36 (Лекции)

14.3.ТрансформаторыВ трансформаторе передача электрической энергии из первичной обмотки вовторичную осуществляется, как и в электрических машинах, посредством переменногомагнитного потока. В основе лежит явление электромагнитной индукции, в соответствиис которым значение электродвижущей силы (ЭДС), наведенной в контуре,пропорционально скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контурпотока. Простейший двухобмоточный трансформатор состоит из замкнутогомагнитопровода и двух обмоток с числом витков w1 и w2 (рис.

14.12). Магнитопроводнабирают из изолированных листов специальной электротехнической стали, толщинулистов выбирают из условий уровня потерь от индуктированных в них вихревых токовпри заданной частоте источника. При частоте 50 Гц толщина листов равна 0,27-0,35 мм.По конструкции магнитопровода различают стержневые и броневые трансформаторы. Утрансформатора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода, уброневого магнитопровод как "броней" охватывает обмотки. На рис. 14.12 показано такжеусловное обозначение однофазного двухобмоточного трансформатора.Рис. 14.12. Электромагнитная система однофазного двухобмоточного трансформатораи его схемное изображение: 1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3, 4, 5 магнитопровод; 4 - стержень магнитопровода; 5 - ярма магнитопровода.Отношение индуктированных в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равноеwотношению чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации n  1 .w2При n  1 трансформатор называют понижающим, при n  1 - повышающим.

Еслипервичную обмотку трансформатора при разомкнутой вторичной подключить кисточнику переменного напряжения, то ток первичной обмотки i1  i0 ( ix ) называюттоком холостого хода. При подключении номинальной нагрузки токи первичной i1 ивторичной i2 обмоток при определенных допущениях также связаны соотношением черезкоэффициент трансформации.Для силовых трансформаторов установлены стандартные обозначения начал и концоввыводов обмоток.

В однофазном трансформаторе начало и конец обмотки высшегонапряжения (ВН) обозначаются соответственно прописными буквами A и X, а обмоткинизшего напряжения (НН) - строчными латинскими буквами a и x. В трехфазномтрансформаторе начало и конец обмоток высшего напряжения (ВН) обозначаютсясоответственно прописными буквами A, B, C и X, Y, Z а обмотки низшего напряжения(НН) - строчными латинскими буквами a, b, c и x, y, z.

Обмотки трансформатора могутбыть соединены "звездой" или "треугольником".В трехфазных цепях длятрансформации токов могут быть использованы три однофазных трансформатора итрехфазный трансформатор с одним сердечником (рис. 14.13).Рис. 14.13. Соединение фазных обмоток трех однофазных трансформаторов итрехфазного трансформатора с одним сердечникомПри расчете параметров двухобмоточного трансформатора принимаются допущения осимметрии фазных обмоток и магнитных контуров; магнитная проницаемость материаламагнитопровода и активные сопротивления обмоток не зависят от температуры(линейность параметров); не учитываются емкости обмоток относительно земли,междувитковые емкости; сопротивления обмоток пропорциональны квадрату числавитков и т.д.

В некоторых случаях магнитная проницаемость материала магнитопроводапринимается какr   . Приближенные формулы для расчета индуктивноститрансформаторов приведены в табл. 14.3.Применяется также соединение "зигзаг".Таблица 14.3. Приближенные формулы для расчета индуктивноститрансформаторовНазваниеДвухобмоточныйтрансформатор стонкимиобмотками содинаковымколичествомвитковДвухобмоточныйтрансформатор содинаковымколичествомвитков wпервичной ивторичнойобмотокКонструкция и геометрическиепараметрыИндуктивность системыПри последовательномвстречном включенииL  0при w2  D122a12  ,l  4l w2  w1  wПри последовательномвстречном включении0 w2 S, гдеLla a S  d12  a12  1 2  3 1a a   a2  a1   a12  1 2 33 при lПри составлении схемы замещения двухобмоточного трансформатора необходимоучитывать, что только часть магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичнойобмоткой трансформаторов, замыкаются через сердечник, другая (меньшая часть)замыкается через воздух вокруг отдельных витков в виде потоков рассеяния  S 1 и  S 2 .Потоки рассеяния индуцируют в своих обмотках ЭДС eS 1 и eS 2 .

Если не учитыватьпотоки рассеяния, то схема замещения трансформатора упрощается (рис. 14.14).Рис. 14.14. Двухобмоточный трансформатор с первичной и вторичной обмоткойПри испытаниях трансформаторов снимают характеристики холостого хода икороткого замыкания. Потерями в стали при опыте короткого замыкания можнопренебречь и считать, что мощность, потребляемая трансформатором в этом опыте равнамощности потерь в обмотках трансформатора. Так как ток холостого хода мал, можносчитать, что мощность, потребляемая трансформаторам при холостом ходе примерноравна мощности потерь в стали.Упрощенные схемы замещения двухобмоточного трансформатора строятся поприведенным формулам (приведение вторичной обмотки к первичной) с использованиемрезультатов опыта холостого хода.

Для снятия характеристики холостого хода вторичнуюобмотку трансформатора размыкают, в первичную включают амперметр, вольтметр иваттметр. Устанавливают U1НОМ, U2НОМ – номинальные значения напряжений обмоток,соответствующие номинальному (расчетному) режиму работы трансформатора.Рис. 14.15. Опыт холостого ходаПоданнымопытаопределяют:коэффициентE UUn  1  1HОМ  1HОМ (отношение показаний вольтметров);E2 U 2HОМU 20трансформацииI1x – ток первичной обмотки (показание амперметра); P0 – потери в стали сердечника отгистерезисаZ0 P0  PW(показаниеваттметра):параметрысхемызамещенияU1HОМP, R0  20 , X 0  Z 02  R02 . Параметрами элементов схемы замещения являютсяI1xI1xтакже индуктивное и активное сопротивление первичной и вторичной обмоток ( R1 ,X1  2fL1 , R2 , X 2  2fL2 ); используя коэффициент трансформации, рассчитывают дляI2, R2  n2 R2 , X 2  n2 X 2 .

Приведенная эквивалентнаяnсхема замещения двухобмоточного трансформатора показана на рис. 14.16 (приведенныепараметры обозначаются штрихом в верхнем индексе).вторичной обмотки U 2  nU 2 , I 2 Рис. 14.16. Приведение параметров вторичной обмотки к первичнойРасчетная Т-образная схема замещения двухобмоточного трансформатора приведена нарис. 14.17.Рис. 14.17. Т-образная схема замещения двухобмоточного трансформатораВажной величиной, характеризующей работу трансформатора, является коэффициентполезного действия (КПД), равный отношению активной мощности, отдаваемойтрансформатором во вторичную сеть Р2, к активной мощности Р1, потребляемой изPсети:   2 .

Активная мощность Р1 включает активную мощность Р2, потери в стали Pст ,P1электрические потери P1эл , P2эл в первичныхи вторичных обмотках. В современныхсиловых трансформаторах КПД достигает 0,98‒0,995.Одна из важнейших задач при эксплуатации и совершенствовании силовыхтрансформаторов - уменьшение потерь холостого хода и короткого замыкания.Электродинамическая стойкость и надежность силовых трансформаторов связана сразработкой методов исследования поля рассеяния трансформаторов и появляющихсяэлектродинамических сил, действующих на обмотки при коротком замыкании. При работетрансформатора возможны импульсные волны перенапряжения, возникающие из-загрозовых атмосферных разрядов.

Нормы и методы испытаний силовых трансформаторовпри различных режимах установлены соответствующими стандартами. При эксплуатациитрансформаторного оборудования необходим контроль за тепловым режимом работы,применение современных систем охлаждения.В курсе ТОЭ в разделе "Линейные электрические цепи" рассматривается расчет токови напряжений простейшего двухобмоточного трансформатора без ферромагнитногосердечника (воздушного трансформатора). При использовании комплексного методавоздушный трансформатор описывается линейной системой уравнений для комплексныхтоков и напряжений первичной и вторичной обмоток. Задаются параметры первичной ивторичной обмоток (сопротивление и индуктивность), взаимная индуктивность иликоэффициент связи взаимоиндукции с учетом рассеяния магнитных потоков (рис.

14.18).Рис. 14.18. Схемное изображение двухобмоточного трансформатораВ разделе "Нелинейные магнитные цепи" проводится расчет токов и потоков вустройствах, содержащих ферромагнитные сердечники. Задаются основные кривыенамагничивания или петли гистерезиса для ферромагнитных материалов, геометрическиеразмеры и конструкция магнитопроводов, число витков обмоток первичных и вторичныхконтуров. Вследствие нелинейной связи между индукцией и напряженностью магнитногополя для ферромагнитных материалов расчеты ведутся графоаналитическими методами,применяя различные апроксимации для заданных кривых.

Используется комплексныйметод при расчете по действующим значениям с заменой реальных несинусоидальныхкривых токов и напряжений эквивалентными синусоидами..