Электротехника -1

ЛЕКЦИЯ № 11

ТЕМА:ТРАНСФОРМАТОРЫ

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами с напряжением до 35 кВ. Для непосредственного безопасного использования потребителями это напряжение очень велико (220В, 380В, 660В) а для экономичной передачи на большие расстояния, поскольку обычно приемники электрической энергии расположены на некотором расстоянии от электростанций, очень низкое (1150 кВ). При заданной передаваемой мощности линией электропередачи, чем выше напряжение, тем меньше будет значение тока и тем меньше получается требуемое сечение проводов линии электропередачи. Поэтому в месте производства электрической энергии - на электрических станциях - выгодно повышать напряжение до сотен тысяч Вольт и выше, а затем передавать энергию по проводам потребителям.

Изменение напряжения до необходимых значений осуществляется с помощью трансформаторов.

Трансформатором называется статическое электротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Электрическая энергия при передаче от электростанции до потребителей преобразуется с помощью тансформаторов около 5 - 7 раз.

В цепях переменного тока использование трансформаторов позволяет изменять напряжения, ток и число фаз.

Трансформаторы относятся к высоконадежным электротехническим устройствам, поскольку они не имеют движущихся частей и скользящих контактных соединений.

По назначению трансформаторы делятся на силовые и специального назначения. Силовые трансформаторы служат для передачи и распределения электрической энергии, а также для питания различных электротехнических устройств. К трансформаторам специального назначения относятся измерительные, сварочные трансформаторы, для прогрева бетона, для перносных светильников, питания электроинструментов и другие.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные и трехфазные.

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ.

Трансформатор состоит из стального магнитопровода, на который намотаны обмотки :

Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии, называется первичной обмоткой, а обмотка к которой подключается нагрузка называется вторичной.

Если через трансформатор необходимо осуществить питание двух и более нагрузок с разным напряжением, то выполняется соответствующее число вторичных обмоток. Такие трансформаторы называются многообмоточными.

Существуют тансформаторы состоящие из одной обмотки. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами. В случае повышающего авторансформатора э.д.с. подводится к части обмотки, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки. В понижающем автотрансформаторе

напряжение сети подается на всю обмотку, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки. Автотрансформаторы позволяют регулировать напряжение в широких пределах.

Магнитопровод трансформаторов изготавливают из стальных листов толщиной 0,35 - 0,5 мм. Стальные пластины сердечника трансформатора изолируют друг от друга бумажной, лаковой изоляцией или окалиной, что позволяет уменьшить потери мощности в магнитопроводе за счет того, что вихревые токи замыкаются в плоскости поперечного сечения отдельной пластины. Чем меньше толщина листа, тем меньше сечение проводника, по которому протекает вихревой ток, и тем болше его сопротивление. В результате вихревой ток и потери мощности на нагрев магнитпровода уменьшаются. Обмотки трансформаторов обычно выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Для лучшей магнитной связи между обмотками их стремятся расположить как можно ближе друг к другу. Обычно их распологают на одном стержне. Обмотки изолируют как от стержня магнитопровода, так и друг от друга. В качестве изоляции применяют электротехнический картон, специальную бумагу или ткань, пропитанную лаком.

По расположению обмоток относительно друг от друга различают концентрические, изготовленные в виде цилиндров, и чередующиеся, когда обмотки расположены друг за другом. В случае концентрической намотки обмоток первой

наматывается обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения. По способу охлаждения трансформаторы делятся на сухие и маслянные. Сухие трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение, которое может быть ипользовано только для трансформаторов малой мощности. При увеличении мощности увеличивается нагрев обмоток. Чтобы обеспечить допустимую для изоляции температуру нагрева, применяют более интенсивные способы отвода тепла. Для этого магнитопровод с обмотками помещают в специальный бак, заполненный трансформаторным маслом. Масло является одновременно и охлаждающей и изолирующей средой. Интенсивность охлаждения обеспечивается как за счет большей по сравнению с воздухом теплопроводности масла, так и за счет того, что поверхность бака по сравнению с поверхностью тансформатора значительно больше. Этот способ охлаждения называется естественным маслянным охлаждением. В трансформаторах большой мощности применяют систему принудительного масляного охлаждения при котором масло специальными насосами прокачивается через специальные теплообменники, которые в свою очередь охлаждаются водой или воздухом.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции.

При подсоединении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного напряжения с э.д.с.1 в ней возникает переменный ток, создающий в магнитном сердечнике переменный магнитный поток, который практически полностью локализован в железном сердечнике и, следовательно почти целиком пронизывает витки вторичной обмотки. Применение магнитопровода с большой магнитной проводимостью способствует увеличению магнитного потока и усилению электромагнитной связи между обмотками. Замыкаясь магнитный поток оказывается сцепленным как с первичной, так и вторичной обмотками.

Изменение этого магнитного потока вызывает во вторичной обмотке появление э.д.с. взаимной индукции, а в первичной э.д.с. самоиндукции.

Ток в первичной обмотке определяется по второму закону Кирхгофа :

е1 + еi1 = i1R1 == е1 - d(N1 Ф) / dt = i1R1,

где R1 - активное сопротивление первичной обмотки. Из-за малости R1 падение напряжения I1R1мало по сравнению с каждой из двух э.д.с. Поэтому

e1 N1 dФ/dt.

Во вторичной обмотке возникает э.д.с. взаимной индукции :

e2 = -N2 dФ/dt.

Сравнивая две последние формулы мы можем найти э.д.с., возникающую во вторичной обмотке :

e2 = -N2 e1/ N1,

где знак «минус», что э.д.с. в первичной и вторичной обмотках отличаются по фазе на 1800. Отношение вторичной э.д.с. к первичной называется коэффициентом трансформации трансформатора

:

k = e2/e1 = N2/N1

При незначительном активном сопротивлении источника. э.д.с. примерно равна напряжению в цепи. Э.д.с. вторичной обмотки при разомкнутой вторичной обмотке (то есть при отсутствии в ней тока и падения напряжения) равна напряжению на концах обмотки. Тогда

k = e2/e1 =u2 /u1 = N2/N1

Коэффициент трансформации может быть определен на основании измерений напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора.

Коэффициент трансформации может быть как больше, так и меньше единицы.

Если необходимо повысить напряжение источника питания, то число витков вторичной обмотки делают больше числа витков первичной обмотки. Такой трансформатор называется повышающим. Если напряжение надо понизить, то необходимо, чтобы число витков в первичной обмотке было больше, чем во вторичной обмотке. В этом случае трансформатор будет понижающим.

Учитывая высокий к.п.д. трансформаторов, можно считать, что мощность потребляемая из сети примерно равна мощности отдаваемой нагрузке :

S1 S2 === i1 u1 i2 u2 .

Отсюда следует:

i1/i2 = u2 /u1.

Мы видим, что во сколько раз увеличивается напряжение во столько же раз уменьшается ток.

По обмотке высшего напряжения проходит меньший ток, поэтому ее делают из провода соответственно меньшего сечения, но она имеет меньшее большее число витков. Обмотка низшего напряжения - с большим током - имеет большее сечение провода, но меньшее число витков. По сечению провода легко отличить обмотку высшего напряжения от обмотки низшего напряжения трансформатора.

Если ко вторичной обмотке трансформатора подключены потребители, через которые замыкается цепь этой обмотки, то по ней проходит ток i2 , направленный (по закону Ленца) противоположно току в первичной обмотке i1 .

Эти токи создают в сердечнике трансформатора два противоположно направленных магнитных потока Ф1 и Ф2, которые вместе образуют общий магнитный поток

Ф = Ф1 - Ф2

Этот общий поток и индуктирует э.д.с. в обмотках трансформатора. Поскольку Е1 = U1, а напряжение U1, которое подводится от источника, обычно не изменяется, то и Е1 почти всегда неизменна. Э.д.с. Е1 индуктируется магнитным потоком Ф, который также вследствие этого должен быть постоянной величиной.

Таким образом, величина общего потока в сердечнике трансформатора всегда постоянна.

При холостом ходе трансформатора, когда i2 = 0, магнитный поток Ф2 также равен нулю. Общий поток Ф трансформатора равен потоку Ф1.

Если же цепь вторичной обмотки замкнуть на потребитель, то возникший ток i2 вторичной обмотки создаст, поток Ф2, противоположный потоку Ф1. Поток Ф2 будет размагничивать сердечник трансформатора.

Так как общий поток Ф = Ф1 - Ф2 не изменяется, то размагничивающее действие потока Ф1 должно быть уравновешено увеличенным намагничивающим потоком Ф1. Таким образом, всякое увеличение тока i2 и его потока Ф2 способствует увеличению потока Ф1, до такой величины, чтобы разность этих потоков Ф1 - Ф2 была равна общему неизменному потоку трансформатора Ф.

Поскольку увеличение потока Ф1 возможно только вследствие увеличения тока i1, который создает этот поток, то всякое увеличение или уменьшение нагрузки (тока i2) во вторичной обмотке трансформатора вызывает соответствующее увеличение или уменьшение тока i1, в первичной обмотке трансформатора. Иногда это явление называют «саморегулированием» трансформатора. Оно основано на законе сохранения и преобразования энергии.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

1.Номинальный режим, режим при номинальных значениях тока и напряжения первичной обмотки трансформатора.

2.Рабочий режим (основной режим), при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему, а ток определяется нагрузкой трансформатора.

3.Режим холостого хода - это режим ненагруженного трансформатора при котором цепь вторичной обмотки разомкнута или подключена к приемнику с очень большим сопротивлением, например, к вольтметру.

4.Режим короткого замыкания трансформатора, режим при котором его вторичная обмотка закорочена или подключена к приемнику с очень маленьким сопротивлением нагрузки, например к амперметру. Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим,

так как токи в первичной и вторичной обмотках возростают в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривается защита, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

Режимы короткого замыкания и холостого хода возникают при аварийных ситуациях или специально создаются при испытании трансформаторов.

Контрольные задания:

1.Внимательно изучить предложенную тему.

2.Составить конспект по изученному материалу.

3.Углубленно изучить материал, используя Интернет-ресурсы.

4.Написать отчет о проделанной работе .