Трансформаторы

            Трансформатор - это электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменных токов и напряжений при передаче электрической энергии от источника к потребителю. При преобразовании выполняется закон сохранения энергии: мощность отдаваемая потребителю приблизительно равна мощности получаемой трансформатором из сети:

где S₂ и S₁ - соответственно, полная мощность отдаваемая потребителю и полная мощность потребляемая из сети;

 I₁, I₂ - токи первичной и вторичной обмоток;

U₁, U₂ - напряжения первичной и вторичной обмоток.

            Трансформатор изобретен в 1876 году русским электротехником П.Н. Яблочковым.

            По назначению различают следующие типы трансформаторов:

1 Силовые - для преобразования электрической энергии при ее передаче и распределении;

2 Силовые специальные - например, сварочные;

Рекомендуемые материалы

3 Автотрансформаторы - для регулирования напряжения на зажимах потребителей;

4 Измерительные - для расширения пределов измерения измерительных приборов.

            Все виды трансформаторов низкой частоты имеют замкнутый магнитопровод с двумя или более обмотками на нем. Обмотку, включенную на напряжение источника питания (сети), называют первичной, обмотку, к которой подключен приемник - вторичной. Обмотки различают также по напряжению: обмотка высшего напряжения (ВН), обмотка низшего напряжения (НН). Магнитопровод собирают из тонких пластин или ленты электротехнической стали с хорошей магнитной проницаемостью и небольшими удельными потерями от гистерезиса и вихревых токов.

Принцип действия однофазного силового трансформатора

            Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

При подведении переменного напряжения u₁ к первичной обмотке 2 в ней возникает переменный ток i₁, который возбуждает в магнитопроводе 1 также переменный магнитный поток.

Его основная часть Ф_t замыкается по магнитопроводу и магнитно сцепляет первичную и вторичную 3 обмотки. Эта часть потока называется основным магнитным потоком. Небольшая часть потока Ф_d1 замыкается помимо магнитопровода вокруг первичной обмотки. Эта часть потока создает потокосцепление рассеяния первичной обмотки.

            Основной магнитный поток Ф_t индуцирует в обмотках ЭДС:

,     

ЭДС е₁ и е₂ имеют одинаковое направление по отношению началу обмоток, т.к. созданы одним и тем же магнитным потоком.

            Отношение ЭДС в обмотках пропорциональны отношению чисел витков обмоток

и называется коэффициентом трансформации трансформатора. Таким образом, при заданном напряжении U₁ можно получить любое значение ЭДС Е₂ (U₂), подобрав числа витков обмоток:

.

Коэффициент трансформации показывает во сколько раз повышается или понижается напряжение на вторичной обмотке относительно первичной. Бывают понижающие и повышающие трансформаторы (зависит от соотношения числа витков обмоток).

Силовые трансформаторы трехфазной эл. сети обычно имеют магнитопровод с разветвленной  системой. В конструкции таких трансформаторов обычно предусматривается система охлаждения трансформаторным маслом, циркулирующим по трубам.

            Роль ЭДС в обмотках различна. ЭДС Е₁ первичной обмотки уравновешивает напряжение сети U₁, уменьшает ток I₁. ЭДС Е₂ вторичной обмотки создает ток I₂.

            Ток вторичной обмотки (МДС w₂i₂) создает в магнитопроводе свой магнитный поток, направление которого по закону Ленца противоположно потоку, создаваемому МДС (w₁i₁) первичной обмотки. Таким образом, результирующий магнитный поток магнитопровода равен алгебраической сумме потоков первичной и вторичной обмоток. То есть появление тока во вторичной обмотке ведет к размагничиванию (уменьшению общего потока) магнитопровода. Однако амплитуда магнитного потока в магнитопроводе определяется напряжением первичной обмотки, и т.к. напряжение в сети неизменно, то и значение потока должна сохраняться неизменным. Поэтому при появлении тока во вторичной обмотке и его размагничивающего действия на магнитопровод, первичная обмотка автоматически увеличит потребление тока из сети, компенсируя размагничивающее действие тока вторичной обмотки. Таким образом, при возрастании энергии, потребляемой нагрузкой (увеличении тока I₂), автоматически увеличивается и потребление энергии (тока I₁) из сети.

            Трехфазные силовые трансформаторы

            У трехфазных трансформаторов (рис. 11) магнитопровод 1 выполняют трехстержневым.

                На каждом стержне уложены по две обмотки первичная - 2 и вторичная - 3. Одна обмотка выполняется проводом большего сечения с меньшим числом витков (обмотка низшего напряжения), другая - проводом меньшего сечения с большим числом витков (обмотка высшего напряжения).

            Обмотки трансформатора могут соединяться между собой по схемам «звезда» или «треугольник». Магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, служащим для лучшей изоляции обмоток и их охлаждения.

К-коэффициент трансформации показывает во сколько раз повышается или понижается напряжение на вторичной обмотке относительно первичной. Бывают понижающие и повышающие трансформаторы (зависит от соотношения числа витков обмоток).

Силовые трансформаторы трехфазной эл. сети обычно имеют магнитопровод с разветвленной  системой. В конструкции таких трансформаторов обычно предусматривается система охлаждения трансформаторным маслом, циркулирующим по трубам.

Автотрансформаторы

В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору: на стальном магнитопроводе помещаются две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного се­чения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки обра­зуют общую обмотку высшего напряжения. Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора.

Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжения автотрансформато­ра имеется не только магнитная, но и электрическая связь.

Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на рис. 6.6. Первичное напряжение подведено к зажи­мам первичной обмотки с числом витков w₁. Вторичной обмоткой является часть первичной с числом витков w ₂.

           Обмотка трансформатора выполнена изолированным проводом в один слой. На участках обмотки, которых касается подвижный контакт с угольной вставкой, изоляция очищена. При перемещении контакта угольная вставка закорачивает виток провода. Однако вследствие небольшого напряжения на одном витке и заметного сопротивления угольной вставки через замкнутый виток протекает допустимый ток.

Первичная обмотка автотрансформатора является частью его вторичной обмотки и поэтому между первичной и вторичной обмоткой трансформатора имеется гальваническая связь. Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжения автотрансформато­ра имеется не только магнитная, но и электрическая связь. К вторичной обмотке автотрансформатора нельзя непосредственно подключать потребители, один из проводов которых может оказаться соединенным с землей. Такое подключение приведет к аварии или несчастному случаю. При работе с автотрансформатором запрещается заземлять вторичную цепь.

Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором той же полезной мощности является меньший расход активных материалов — обмоточного провода и стали, меньшие потери энер­гии, более высокий к. п. д., меньшее изменение напряжения при изменении нагрузки.

Наряду с преимуществами автотрансформаторов перед транс­форматорами они имеют существенные недостатки: малое сопро­тивление короткого замыкания, что обусловливает большую крат­ность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения из-за электрической связи между этими сетями. Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применение автотрансформатора в том случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устрой­ствах).

Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем силь­нее, чем коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах

трансформации (К=1…2).

В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформа­торы, обмотки которых обычно соединяются звездой.

Магнитные пускатели

Магнитные пускатели предназначены для дистанционного управления трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором и другими приемниками энергии. Включение магнитных пускателей может производиться вручную с помощью кнопочного поста и автоматически с помощью датчиков автоматики непосредственно или через промежуточные реле, с помощью блок-контактов других пускателей. Отключение пускателей производится вручную или при аварийных режимах с помощью реле тепловых или реле максимального тока, при отключении сблокированных с ними других пускателей, при действии устройств автоматики. Как правило, магнитные пускатели содержат в себе элементы тепловой защиты потребителя или сети потребителя - тепловые реле. Нажатием кнопки в магнитном пускателе запитывается электромагнит, который, втягивая сердечник, приводит к соприкосновению основные контактные пары трехфазной сети. Магнитные пускатели выполняются обычно в виде компактной пластмассовой коробки, имеющей клеммы для подключения проводов. Тепловые реле предназначены для защиты от перегрузок асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Так как они не защищают от коротких замыканий и сами нуждаются в такой защите, то на ответвлении к электродвигателю перед пускателем ставится автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем.

Чувствительным элементом у теплового реле служит термобиметалл, по которому проходит ток. У реле на большие токи имеется нихромовый нагреватель для дополнительного нагрева биметалла.

Чувствительные элементы реле включаются в две фазы электродвигателя, контакты реле включаются в цепь катушки пускателя.

Электромагнитные реле

Ещё посмотрите лекцию "13 Иск" по этой теме.

Это устройства, предназначенные для обеспечения большого числа коммутаций в различных цепях одновременно, при срабатывании одного электромагнита. Применяются в различных электротехнических установках. Контакты в реле бывают нормально замкнутые и нормально разомкнутые. На схемах нормально замкнутые контакты  изображают:

          Нормально разомкнутые:

      На рисунке показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа.  При определенной магнитодвижущей силе (МДС) в цепи управления возникающая сила F притяжения якоря З к ярму 1 превышает силу противодействующей пружины 2. Воздушный зазор уменьшается. Клапан 4 нажимает на подвижный контакт 5 и прижимает его с силой F к неподвижному контакту 6. Управляемая цепь замыкается. Исполнительный элемент 7 производит требуемое действие.

      Контакты реле в исходном положении могут быть как разомкнуты, так и замкнуты. В последнем случае при срабатывании реле они размыкаются. Действие каких-либо устройств  прекращается. Многие реле имеют несколько контактных пар. Тогда их используют для управления несколькими электрическими цепями.