Однофазные и трехфазные трансформаторы

Екатеринбургский автомобильно-дорожный колледж. Лекции по "Электротехнике и электроники.

Преподаватель Тонкушина Д.Д.

Раздел № 1. Электротехника

Тема 1.2. Однофазные и трехфазные трансформаторы.

Обучающийся должен:

знать: назначение, устройство, область применения и принцип действия однофазных и трехфазных трансформаторов, классификацию трансформаторов, схемы и группы соединения обмоток трансформатора.

уметь: определять коэффициент трансформации.

Литература, использованная при подготовке лекции:

Основная:

1. Морозова Н.Ю. Электротехника и электроника/ Н.Ю. Морозова. - :ОИЦ "Академия", 2011.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника и электроника/ А.С. Касаткин, М.В. Немцов: учеб. М.: Академия, 2005. 9-е изд.

3. Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г., Масленников В.В. Задачник по общей электротехнике с основами электроники/ Т.Ф. Березкина, Н.Г. Гусев, В.В. Масленникова. - М.: Высшая школа, 1991.

Дополнительная:

1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники: Учебное пособие для студентов неэлектротехн. спец. средних спец. учеб. заведений. - 4-е изд., стер./ И.А. Данилов, П.М. Иванов. - М.: Высшая школа, 2000.

Источником электрической энергии является генератор. Но с помощью генератора невозможно получить напряжение высокого класса (от 35 кВ и выше), которое необходимо для передачи электроэнергии на дальние расстояния. Т.к. в генераторе есть вращающиеся части, то очень трудно обеспечить их надежную изоляцию, если бы они находились под повышенным напряжением. При передаче электроэнергии на напряжениях повышенного класса в сети уменьшаются токи, а в соответствии потери электроэнергии, стоимость вложений в строительство и эксплуатацию линий электропередачи за счет уменьшения изоляции проводов и диаметра токоведущих частей. Следует отметить и то, что преобразование напряжения можно производить только при помощи переменного тока, т.к. постоянный ток не создает магнитное поле, которое может индуктировать необходимое напряжение. Поэтому, когда перед электротехниками встала задача найти способ преобразования электромагнитной энергии, вырабатываемой генератором, в электромагнитную энергию, но более высокого класса напряжение было найдено простейшее решение этой задачи, был изобретен трансформатор.

Изобретателем первого трансформатора является русский ученый Павел Николаевич Яблочков в 1876 году. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Особенно широко трансформаторы стали применяться после того, как М.О. Доливо – Добровольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора в 1891 году и автотрансформатора в 1892 г.

1. Назначение и устройство трансформаторов

1.1. Назначение, классификация и область применения трансформаторов

Трансформатор - статическое, т.е. без движущихся частей, электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одних значений параметров переменных напряжений и тока в другие значения той же частоты.

Область применения: в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.

Классификация трансформаторов приведена в табл.1.

Таблица 1

Классификация трансформаторов

Паспортные данные трансформатора: номинальное напряжение высшей и низшей обмотки U_вн и U_нн, полная мощность (ВА или кВА), токи (А) при номинальной полной мощности, число фаз, схема соединения обмоток, способ охлаждения, режим работы (длительный или кратковременный), коэффициент трансформации.

Условные обозначения трансформаторов приведены на рис.1.

е)

д)

г)

Рис. 1. Условные обозначения трансформаторов:

а, б, в - однофазного; г, д, е - трехфазного

1.2. Устройство трансформатора

Трансформатор – простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99%.

На рис. 2 изображен трехфазный масляной трансформатор.

Основные конструктивные элементы трансформатора:

1 - магнитопровод; 2 - обмотка НН в разрезе; 3 - обмотка ВН; 4 - выводы обмотки ВН; 5 - выводы обмотки НН; 6 - трубчатый бак для масляного охлаждения; 7 - кран для заполнения маслом; 8 - выхлопная труба для газов; 9 - газовое реле; 10 - расширитель для масла; 11 - кран для спуска масла.

Таким образом, трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах, магнитопровод может являться воздушная среда.

Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготавливают из магнитомягкого материала - трансформатор на стали, имеющую узкую петлю намагничиванию. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примись кремния, повышающую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.

Рис.2. Трехфазные масляной трансформатор

Первичной называется обмотка трансформатора, которая подключается к источнику энергии.

Вторичной обмоткой называется та обмотка, к которой подключается потребитель.

Различают трансформаторы стержневого ( рис.3, а) и броневого типов( рис.3, б ).

а) б)

Рис. 3. Трансформаторы стержневого и броневого типа

В магнитопроводе стержневого типа обмотки охватываются стержни, а броневого - магнитопровод частично обхватывает обмотки. Последний хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений. Стержневой магнитопровод проще по конструкции и облегчает получение необходимой изоляции обмотки, поэтому у большенства трансформаторов.

Обмотки трансформаторов изготовляют из медного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях, рядом ( концентрические ) или одну под другой ( чередующиеся, причем обмотка НН будет крайней ). В последнем случае непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх неё размещается обмотка высшего напряжения, потому что её труднее изолировать от магнитопровода.

При работе трансформатора за счёт токов в обмотках, а также вследствие перемагничивания магнитопровода и вихревой ток выделяется теплота. Трансформаторы небольшой мощности ( до 10 кВА ) ,для которых достаточно воздушного охлаждения, называютя сухими.

В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение. Магнитопровод с обмотками размещается в баке, заполненном минеральным ( трансформаторным ) маслом. Масло не только отводит теплоту за счёт конвекции или принудительной циркуляции, но и является хорошим диэлектриком ( изолятором ). Масляные трансформаторы надёжны в работе и имеют меньшие размеры и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. При изменении температуры объём масла меняется. При повышении температуры излишек масла поглощается расширителем расширителем, а при понижении температуры масло из расширителя возвращается в основной бак.

В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, применяют скользящий контакт для изменения числа витков обмотки ( примерно так же, как это делается в ползунковых реостатах ). Скользящий контакт широко используется в автотрансформаторах, рассчитанных на регулирования напряжения в небольших пределах.

Вывод: таким образом, основным назначение трансформатора является преобразование электроэнергии одного напряжения в электроэнергии одного напряжения в электроэнергию другого напряжения с целью уменьшения капитальных вложений в строительство и эксплуатацию линий электропередачи. В трансформаторе основную пожароопасность представляет масло, которое используется в них в качестве изоляционного материала.

2.Принцип действия трансформаторов

2.1. Принцип действия однофазного трансформатора

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

Рассмотрим процесс трансформации тока и напряжения на примере работы однофазного трансформатора, принципиальная схема которого приведена на рис.4.

Рис. 4. Принципиальная схема однофазного трансформатора

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением U₁ по обмотке начнёт проходить ток i₁, который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней e2, которую можно пользовать для питания нагрузки. Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения ЭДС можно записать в виде

E₁=4,44fw₁Фm; E₂=4,44fw₂Фm

где f-частота переменного тока; w₁ и w₂-число витков обмотки.

Задача повышения напряжения решается следующим образом. Любой виток обмотки трансформатора имеет одинаковое напряжение, если на вторичной обмотке увеличить число витков по сравнению с первичной обмоткой, то т.к. витки соединены последовательно напряжение, получаемое на каждом из витков будет суммироваться. Поэтому, увеличивая или уменьшая количество витков, можно увеличивать или уменьшать напряжение на выходе трансформатора. Поделив одно равенство на другое, получим

,

где k-коэффициент трансформации.

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута ( режим холостого хода ), то напряжение на зажимах обмотки равно её ЭДС: U₁=E₂, а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки U₂≈E₂. Следовательно, можно написать, что

,

Таким образом, коэффициент трансформации может быть определён на основании измерения напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора. Отношение напряжений на обмотках ненагруженного трансформатора указывается в его паспорте.

Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что S₁S₂, где S₁=U₁I₁ - мощность, потребляемая из сети; S₂=U₂I₂-мощность, отдаваемая в нагрузку.

Таким образом, U₁I₁≈U₂I₂, откуда

Отношение токов вторичной и первичной обмоток приближенно равно коэффициенту трансформации, поэтому ток I₂ во столько раз увеличивается ( уменьшается ), во сколько раз уменьшается ( увеличивается ) U_2.

Схема передачи энергии приведена на рис. 5. Генератор, напряжение на зажимах которого составляет 6300 В, присоединён к первичной обмотке повышающего трансформатора. Напряжение на концах вторичной обмотки составляет 110 кВ.

При этом напряжении происходит передача энергии вдоль линии передачи. Передаваемая мощность пусть составляет 10 000 кВт, сдвиг фаз между током и напряжением отсутствует.

Если наводимое в каждом витке напряжение составляет 3 В, то первичная обмотка должна состоять из 6300/3=2100 витков, вторичная же - из 110000/3=36667 витвов. Так как мощности в обеих обмотках одинаковы, то ток в первичной обмотке равен, I=P/U=10 000/6,3= 1590 А, а во вторичной обмотке ^ 10000/110=91 А. То же значение будет иметь ток в проводах линии передачи. Линия заканчивается понижающим трансформатором, вторичная обмотка которого питает потребителя.

2.2. Особенности трёхфазных трансформаторов

В линиях электропередачи используют в основном трёхфазные силовые трансформаторы. Внешний вид, конструктивные особенности и компоновка основных элементов этого трансформатора представленных на рис. 2. Магнитопровод трёхфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещаются две обмотки одной фазы (рис. 6).

Вводы высшего напряжения обозначают буквами A, B, C, вводы низшего напряжения - буквами a, b, c. Ввод нулевого провода располагают слева от ввода a и обозначают О

Принцип работы и электромагнитные процессы в трёхфазном трансформаторе аналогичны рассмотренным ранее. Особенностью трёхфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток.

Применяются главным образом три способа соединения обмоток трёхфазного трансформатора (табл. 2).

Таблица 2

Схемы соединения трансформаторов

При соединении обмоток по схеме звезда - звезда

При соединении обмоток по схеме звезда - треугольник

При соединении обмоток по схеме треугольник - звезда

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в раз увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.

Для условного обозначения сдвига фазы вторичного напряжения по отношению к первичному принято деление трансформаторов по группам соединений. У двух трансформаторов с одинаковой группой соединений этот сдвиг фаз должен быть одинаковым.

Обозначение групп соединений основано на сопротивлении относительно положений на комплексной плоскости с положением минутной стрелки. Для сопоставления минутная стрелка считается установленной на цифре 12, и с ней совмещается вектор линейного напряжения высшего напряжения, а часовая стрелка совмещается с вектором линейного низшего напряжения. Угол в 30 градусов служит единицей отсчета между двумя соседними цифрами часового циферблата. Отсчет угла производится от минутной стрелки по направлению вращения часовой стрелки.

Согласно ГОСТу для однофазных трансформаторов установлена группа 0.стрелки минутная и часовая совпадают (12 ч). Может быть группа 6, если обмотки намотаны противоположно отнасительно направления магнитного потока.

Для трёхфазных трансформаторов:

• в случае соединения обмоток звезда-звезда с выведенной нейтральной точкой группа соединений будет равна 0 ( применяется для трансформаторов с высшим напряжением до 35 кВ );

• в случае соединения обмоток трансформатора по схеме звезда-треугольник и звезда с выведенной нейтральной точкой - треугольник группа соединений принимается 11 (330 градусов) (для трансформаторов напряжением более 35 кВ и более мощных).

Если мощность трансформатора оказывается недостаточной, то параллельно ему можно включить ещё один трансформатор, но при этом должны соблюдаться следующие условия:

1. Одна и та же группа соединений.

2. Одинаковые номинальные первичные и вторичные напряжения.

3. Одинаковые напряжения короткого замыкания трансформаторов.

Вывод: принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции. Различные схемы и группы соединения обмоток трансформатора позволяют изменять коэффициент трансформации без изменения числа витков обмоток трансформатора.

3. Режимы работы трансформатора

Различают несколько режимов работы трансформатора:

1. номинальный режим, т.е. режим при номинальных значениях напряжения U₁=U_1ном, и ток I₁=I_1ном первичной обмотки трансформатора;

2. рабочий режим , при U₁≈U_1ном, I₁≤I_1ном и зависит от I₂;

3. режим холостого хода, т.е. режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута I₂=0 или подключена к приемнику с очень большим сопротивлением ( например, к вольтметру );

4. режим короткого замыкания трансформатора ,при котором его вторичная обмотка накоротко замкнута (U₂=0) или подключена к приемнику с очень малым сопротивлением (например, амперметру).

Опытом холостого хода называется испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном напряжении U_1x=U_1ном. На основании этого опыта по показаниям измерительных приборов определяют коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе трансформатора.

Опыт короткого замыкания следует отличать от режима короткого замыкания к эксплуатационных условий, который является аварийным и вызывает нагрев и перегрев трансформатора, а следовательно и его разрушение.

Опытом короткого замыкания называется испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном токе I_1к.з=I_1ном. Этот опыт служит для определения важнейших параметров трансформатора: мощности потерь в проводах, внутреннего падения напряжения и т.п., например, u_к.з. - важного параметра трансформатора, на основании которого определяются изменения вторичного напряжения наружного трансформатора.

Вывод по третьему вопросу: опыты холостого хода и кородкого замыкания позволяют определить коэффициент трансформации, потери в проводах и магнитопроводе трансформатора, а также другие важные параметры работы трансформатора.

4.Заключение

1. Трансформатор служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения и переменяется в линиях электропередачи, в технике связи, автоматике, измерительной технике и др. областях.

2.Конструктивно трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток.

3. Работа трансформатора основана на явление взаимной индукции, которая является следствием закона электромагнитной индукции.

4. Различают трансформаторы: повышающие и понижающие, однофазные и трехфазные, стрежневого и броневого типа, с воздушным и масляным охлаждением.

5. При одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.

6. Среди режимов работы трансформатора выделяют рабочий, номинальный, холостого хода и короткого замыкания. Последние два режима в качества опытов применяются для применения коэффициента трансформации, потерь в трансформаторе и др. его параметров.

Задания для самостоятельной работы:

1. Березкина Т.Ф. Задачник по электротехнике. № 7.11, № 7.14, № 7.17, № 7.20.

2. Письменно ответить на вопросы:

1. Каковы назначение и принцип действия трансформаторов?

2. Каковы устройство и принцип действия автотрансформаторов?

3. Какой прибор нельзя подключать к трансформатору тока?

4. Какие потери возникают в трансформаторе?

5. Почему при удалении сердечника из катушки передаваемая энергия из первичной обмотки во вторичную резко понижается?

6. Измениться ли КПД трансформатора ,если магнитопровод их электротехнической стали заменить на магниторовод, изготовленный из листов обыкновенной стали?

7