Назначение, устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Основные части трансформаторов - обмотки, осуществляющие электромагнитное преобразование энергии, и магнитопровод (магнитная система), выполненный из ферромагнитного материала и предназначенный для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток. Магнитопровод трансформаторов малой мощности изготавливают из листовой или ленточной электротехнической стали толщиной 0,1 - 0,35 мм.

В зависимости от конфигурации магнитопровода различают трансформаторы стержневого, броневого и кольцевого типов.

Рис.6.1. Типы магнитопроводов трансформаторов

(1, 4 - броневые; 2, 5 - стержневые; 3, 6 - кольцевые)

Обмотка трансформатора - это совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС витков.

Обмотки трансформаторов стержневого и броневого типов представляют собой катушки, намотанные из изолированного провода, в большинстве случаев медного, на изолирующий каркас или гильзу. Отдельные слои проводов изолируют друг от друга тонкой межслойной изоляцией из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаками; между обмотками прокладывают более толстую межобмоточную изоляцию. Обмотки трансформатора, к которым электрическая энергия подводится, называют первичными, обмотки, от которых электрическая энергия отводится, - вторичными.

Повышение электрической прочности трансформаторов и их устойчивости к механическим и атмосферным воздействиям достигается путем пропитки обмоток изоляционными лаками или компаундами или заливкой трансформаторов в эпоксидную смолу. Стержневые трансформаторы имеют наилучшие условия охлаждения ввиду большой поверхности охлаждения обмоток. Броневые трансформаторы благодаря меньшему числу катушек имеют меньшие размеры и более просты в изготовлении. Кольцевые трансформаторы отличаются малыми потоками рассеяния и низким сопротивлением сердечника благодаря отсутствию воздушных зазоров на пути потока, но более сложны в изготовлении ввиду невозможности предварительной намотки обмоток вне магнитопровода.

Рис.6.4. Принцип действия трансформатора

Принцип действия рассмотрим на примере идеального трансформатора - трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу её витков. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия равна преобразованной энергии:

P₁ = I₁·U₁= P₂ = I₂·U₂,

где

P₁ - мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,

P₂ - мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.

Соединив это уравнение с отношением напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:

U₂/U₁ = N₂/N₁ = I₁/I₂

Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I₂.

Соотношение напряжений на входе и выходе трансформатора определяется в основном соотношением ЭДС взаимоиндукции в первичной и вторичной обмотках, которое называется теоретическим коэффициентом трансформации:

Kт = U₁/U₂ = N₁/N₂

Как видно, соотношение напряжений на обмотках трансформатора определяется соотношением чисел витков.

Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление Z₂ подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет:

Z´₁ = Z₂·(N₁/N₂)2 .

Данное правило справедливо также и для вторичной цепи:

Z´₂ = Z₁·(N₂/N₁)2 .

На схемах трансформатор обозначается следующим образом:

Рис.6.5. Обозначение трансформатора на схеме

Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 - первичная обмотка (обычно слева), 2,3 - вторичные обмотки. Число полуокружностей в каком-то грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков - больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).

При обозначении трансформатора с несколькими первичными и/или вторичными обмотками точками указывают начало катушки.

Процесс передачи мощности с первичной на вторичную обмотку трансформатора сопровождается потерями части активной мощности. Мощность, называемая электрическими потерями, выделяется на активном сопротивлении обмоток при протекании по ним тока:

ΔPэ=I₁²·R₁+I₂²·R2

где R₁ и R₂ - активные сопротивления обмоток.

Значение электрических потерь зависит от токов в обмотках, т.е. от режима нагрузки, поэтому электрические потери называют переменными потерями трансформатора.

Мощность ΔP_м, называемая магнитными потерями, выделяется в магнитопроводе при прохождении по ней переменного магнитного потока. Она обусловлена наличием вихревых токов, наводимых переменным потоком, и явлением гистерезиса.

Значение ΔP_м зависит от свойств материала магнитопровода, индукции в магнитопроводе и частоты его перемагничивания. Поток, а следовательно, и индукция не зависят от нагрузки, поэтому потери ΔP_м называют постоянными потерями трансформатора. Так как потери на вихревые токи и гистерезис пропорциональны примерно квадрату индукции, то

ΔP_м ~ U₁².

Выделение части потребляемой трансформатором мощности в виде электрических и магнитных потерь приводит к нагреву трансформатора.

41 Потери энергии и КПД трансформатора. Паспортные данные трансформаторов.

В трансформаторе теряется энергия в обмотках и в магнитопроводе. Потери мощности в обмотках равны

ΔР_м = I₁²r₁ + I₂²r₂ = I₁²r_к .

Потери мощности в магнитопроводе составляют

(8,18)

где G— масса магнитопровода, кг; В_m — амплитуда магнитной индукции, Тл; ΔР₁₀ — удельные потери в стали, Вт/кг, при В_m = 1 Тл и f = 50 Гц; ΔР₁₅ — удельные потери в стали, Вт/кг, при В_m = 1,5 Тл и f = 50 Гц; f — частота тока в обмотках, Гц.

Потери в обмотках зависят от нагрузки, потери в магнитопроводе практически не зависят от нагрузки. Коэффициент полезного действия трансформатора равен

где Р₂ — мощность, отдаваемая трансформатором; P₁ - потребляемая мощность.

Выразив активную мощность, отдаваемую трансформатором, через полную мощность Р₂ = S₂cos φ₂, получим

Рис. 8.23. Зависимость КПД трансформатора от коэффи­циента загрузки

Выразив S₂ и I₂ через коэффициент загрузки трансформатора β, имеем М₂ = βI_2ном , что соответствует S₂ ≈ βS_ном , и так как U₂≈ U_2ном, получим

(4.65a)

где ΔP_к = ΔP_ном = I²_1номr_к — потери мощности в обмотках при номинальной нагрузке; ΔP_ст — потери мощности в магнитопроводе при номинальном напряжении.

На рис. 8.23 изображены графики зависимости КПД от коэффициента загрузки трансформатора при различных значе­ниях cos φ₂.

Трансформаторы большой мощности при номинальной нагрузке и cos φ₂ = 1 обладают высоким КПД, доходящим до 0,98 — 0,99. Трансформаторы малой мощности имеют КПД примерно 0,82 — 0,9.

В каталогах и в паспорте трансформатора сообщаются тех­нические данные, необходимые для нормальной эксплуатации трансформатора. В них даны: тип трансформатора; номиналь­ная мощность S_ном , кВ•А; линейное номинальное напряжение первичной U_1ном , кВ, и вторичнойU_2ном, кВ, обмоток; потери мощности при холостом ходе ΔР₀ = ΔР_ст , кВт; потери мощности при коротком замыкании ΔР_к, кВт; напряжение короткого замыкания, % номинального соответствующей обмотки u_к ; КПД при полной и половине номинальной нагрузке при cos φ₂ = l и группа соединения. Например, ТМ-100/6 означает: ТМ — трансформатор с трансформаторным маслом, естественным воздушным охлаждением, 100 — номинальная мощность, кВ • А, 6 — номинальное напряжение обмотки высшего напряжения, кВ. Номинальная мощность
S_ном = √3U_2номI_2ном — мощность, которую может отдавать трансформатор длительно (весь срок работы) при любом cos φ₂, нагреваясь при этом до допустимой температуры. Активная же мощность, которую может длительно отдавать трансформатор, зависит от коэффициента мощности потребителя, так как она равна Р = S_ном cos φ₂. В СССР приняты следующие напряжения высоковольтных сетей: 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ, низковольтных сетей 127, 220, 380, 500, 660 В. В соответствии с этим установлены номинальные напряжения трансформаторов — они выше на 5 % напряжения сетей. Например, U_1ном = 6,3 кВ,U_2ном = 400 В; U_1ном = 10,5 кВ, U_2ном = 525 В.

На основании технических данных можно определить номинальные токи первичной и вторичной обмоток и параметры схемы замещения одной фазы трехфазного трансформатора.

Номинальный ток, А,

Полное сопротивление обмоток трансформатора

z_к = U_1к,ф /I_ном,ф ;

активное сопротивление обмоток r_к = ΔР_к /3I²_1ном,ф; индуктивное сопротивление х_к = √z_к² - r_к².

Параметры намагничивающей ветви схемы замещения: полное сопротивление z₀ = U_1номф /I_10ф; активное r₀ = ΔР₀/3I²_10ф; индуктивное х₀ = √z₀² - r₀².

Для трансформаторов малой мощности в паспорте указываются номинальная мощность и номинальные напряжения.

Пример 8.4. Трехфазный трансформатор при токе нагрузки 1450 А и cos φ = 0,8 имел допустимую установившуюся температуру. Определить номинальную мощность трансформатора и активную мощность, отдаваемую трансформатором, если номинальное вторичное напряжение составляет 400 В.

Решение. 1. Номинальная мощность трансформатора

S_ном = √3U_2номI_2ном = 1,73 • 400 • 1450 = 1000 кВ • А.

2. Активная мощность, отдаваемая трансформатором,

Р = S_ном cos φ = 1000 • 0,8 = 800 кВт.