Трансформаторы. Назначение и принцип действия

Занятие по рабочей программе №15

Дисциплина: «Электротехника и электроника»

Раздел 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Тема 2.2. Трансформаторы

1. Типы, назначение, устройство и принцип действия трансформаторов.

2. Режим холостого хода.

3. Режим короткого замыкания.

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Трансформаторы

1. Типы, назначение, устройство и принцип действия трансформаторов.

2. Режим холостого хода.

3. Режим короткого замыкания.

ПЛАН

1. Общие сведения о трансформаторах.

2. Устройство однофазного трансформатора.

3. Принцип действия трансформатора.

4. Режимы работы трансформатора.

1. Изложение и изучение нового материала.

1. Общие сведения о трансформаторах

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение – понижающих.

Трансформаторы применяются в линиях электропередач (ЛЭП), в технике связи, в автоматике, измерительной технике, в автомобиле. В условиях строительства трансформаторы применяются: для сварочных работ, питания электроинструментов, в передвижных подстанциях, для электроподогрева бетона и грунта и т. д.

При объяснении назначения трансформатора, необходимо пояснить какую функцию выполняет трансформатор, передавая электроэнергию на дальние расстояния, и почему передача тока производится при высоком напряжении.

Рис.1. Передача электроэнергии на дальние расстояния

Классификация трансформаторов по назначению:

• силовой трансформатор для питания электродвигателей и осветительных сетей;

• сварочный трансформатор для питания сварочных аппаратов;

• измерительный трансформатор в измерительной технике;

Классификация трансформаторов по числу фаз:

• однофазные;

• трехфазные.

Далее приводится классификация трансформаторов по конструкции:

• стержневые;

• броневые.

Трансформатор – простой, надежный и экономичный аппарат. Его КПД достигает 99%. Расчетные мощности трансформаторов различны – от долей В*А до десятков тысяч Кв *А; рабочие частоты – от единиц Гц до сотен кГц. Поэтому очень важно знать какую роль выполняет он в области энергетики и энергоснабжения.

На рис.2 приводиться условное обозначение однофазного и трехфазного трансформаторов:

Однофазные Трёхфазные

Рис.2. Условное обозначение

2. Устройство однофазного трансформатора

Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток.

а) Магнитопровод изготавливают из трансформаторной стали. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов толщиной 0,35- 0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.

Различают трансформаторы стержневого и броневого типов:

• устройство и условное обозначение стержневого однофазного трансформатора;

• броневой хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений.

Рис.3. Трансформаторы стержневого и броневого типов

Стержневой имеет два стержня, на которых расположены обмотки, а броневой имеет один стержень, на котором расположены обмотки высшего и низшего напряжения.

б) Обмотки трансформаторов изготавливают из медного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях, рядом или одну под другой.

Обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка – вторичной.

в) Охлаждение:

• воздушное (мощность до 10 кВА);

• масляное (мощность больше 10 кВА).

В современной технике нашли широкое применение трансформаторы различных конструкций. В радиотехнических устройствах используются небольшие, маломощные трансформаторы, имеющие обычно несколько обмоток (понижающих или повышающих напряжение источника переменного тока).

П ри рассмотрении конструкции магнитопровода, необходимость вспомнить из курса физики о магнитных материалах – ферромагнетиках, которые и применяют для изготовления сердечников электрических машин. А также проанализировать связь материаловедения с электротехникой. Необходимо также рассмотреть петлю гистерезиса – график, отражающий процесс перемагничивания ферромагнетика. Вспомнить, что ферримагнитные материалы подразделяются на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые. Магнитно-мягкие как раз и используются для изготовления магнитопровода электрических машин.

Рассматривая особенности стержневого и броневого трансформаторов, необходимо выяснить их различие и отличительные особенности двух видов трансформаторов.

Д

Рис.4. Трансформатора с

масляным охлаждением

3. Принцип действия трансформатора

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

Майкл Фарадей в 1831 году открыл явление электромагнитной индукции. Явление электромагнитной индукции – это явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре.

Для более наглядного представления принципа работы трансформатора, на рис.5 изображена схема, как возникает электрический ток во вторичной обмотке при подаче напряжения к первичной.

Рис.5. Представление принципа работы

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока по обмотке начнет протекать ток, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС.

Далее приводятся номинальные характеристики трансформатора:

Коэффициент трансформации:

К = U_{ном 1}/ U_ном2

К = N₁ / N₂

K = I_ном2 / I_ном1

Мощность трансформатора:

S_ном1 = U_ном1·I_ном1

S_ном2 = U_ном2·I_ном2

КПД трансформатора – это отношение активной мощности Р₂ на выходе трансформатора к активной мощности Р₁ на входе:

ɳ = (Р₂/Р₁)·100%.

При объяснении характеристик необходимо пояснить, что номинальные значения относятся к тем параметрам, на которые рассчитан данный трансформатор.

Проблемная ситуация, в результате разрешения которой студенты сами находят ответ на вопрос: что показывает коэффициент трансформации?

Для этого необходимо к значению первичного и вторичного напряжения трансформатора и вычислить коэффициент трансформации этого трансформатора. (К=10).

Трансформатор называется повышающим, если напряжение на вторичной обмотке U_ном2 больше, чем на первичной U_ном1. К ˂ 1

Трансформатор называется понижающим, если напряжение на вторичной обмотке U_ном2 меньше, чем на первичной U_ном1. К ˃ 1

После изучения однофазного трансформатора предлагается студентам самостоятельно заполнить таблицу.

Таблица 1

Пример 1. Чему равен коэффициент трансформации, если U_ном1=250 В, а U_ном2=25 В?

Решение:

K˃1, трансформатор понижающий

Пример 2. Чему равен коэффициент трансформации, если U_ном1=25 В, а U_ном2=250 В?

Решение:

K˂1, трансформатор повышающий

Пример 3. Чему равен коэффициент трансформации, если N₁=1000, а N₂=100?

Решение:

K˃1, трансформатор понижающий

Пример 4 Определите число витков N₂ во вторичной обмотке трансформатора, если коэффициент трансформации К=15, а число витков в первичной обмотке N₁=3000.

Решение:

Е сли нахождение неизвестного из выражения вызывает какие-то трудности у студентов, то я обращаю их внимание на аналогичные математические уравнения с одним неизвестным. Например, для 4 задачи:

Пример 5. Определите ток во вторичной I_ном2 обмотке трансформатора, если коэффициент трансформации К=10 а ток в первичной обмотке равен I_ном1=2,5 А

Решение:

Пример 6. Определите силу тока в первичной обмотке трансформатора I_ном1, если полная мощность первичной обмотки S_ном1=1000 В·А, а напряжение в ней U_ном1=400 В.

Решение:

4. Режимы работы трансформатора

В зависимости от величины сопротивления нагрузки трансформатор может работать в трех режимах:

1. Холостой ход при сопротивлении нагрузки zн = ∞.

2. Короткое замыкание при zн = 0.

3. Нагрузочный режим при 0

Имея параметры схемы замещения, можно анализировать любой режим работы трансформатора. Сами параметры определяют на основе опытов холостого хода и короткого замыкания. При холостом ходе вторичная обмотка трансформатора является разомкнутой.

Определение холостого хода трансформатора проводят для определения коэффициента трансформации, мощности потерь в стали и параметров намагничивающей ветви схемы замещения, проводят его обычно при номинальном напряжении первичной обмотки.

Для однофазного трансформатора на основе данных опыта холостого хода можно рассчитать:

• коэффициент трансформации

– процентное значение тока холостого хода

– активное сопротивление ветви намагничивания r0, определяемое из условия

– полное сопротивление ветви намагничивания

– индуктивное сопротивление ветви намагничивания

Часто определяют также коэффициент мощности холостого хода:

В некоторых случаях опыт холостого хода проводят для нескольких значений напряжения первичной обмотки: от U1 ≈ 0,3U1н до U1 ≈ 1,1U1н. По полученным данным строят характеристики холостого хода, которые представляют собой зависимость P0, z0, r0 и cosφ в функции от напряжения U1. Пользуясь характеристиками холостого хода, можно установить значения определяемых величин при любом значении напряжения U1.

Для определения напряжения короткого замыкания, потерь в обмотках и сопротивлений rк и xк проводят определение короткого замыкания. При этом к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, чтобы токи обмоток короткозамкнутого трансформатора были равны своим номинальным величинам, т. е. I1к = I1н, I2к = I2н. Напряжение на первичной обмотке, при котором отмеченные условия выполняются, называется номинальным напряжением короткого замыкания Uкн.

Учитывая, что Uкн обычно составляет всего 5–10 % от U1н, поток взаимоиндукции сердечника трансформатора при опыте короткого замыкания в десятки раз меньше, чем в номинальном режиме, и сталь трансформатора ненасыщенна. Поэтому потерями в стали пренебрегают и считают, что вся подводимая к первичной обмотке мощность Pкн расходуется на нагрев обмоток и определяет величину активного сопротивления короткого замыкания rк. 

Во время проведения опыта измеряют напряжение Uкн, ток I1к = I1н и мощность Pкн первичной обмотки. По этим данным можно определить:

– процентное напряжение короткого замыкания

– активное сопротивление короткого замыкания

– активные сопротивления первичной и приведенной вторичной обмоток, приблизительно равные половине сопротивления короткого замыкания

– полное сопротивление короткого замыкания

– индуктивное сопротивление короткого замыкания

– индуктивное сопротивление первичной и приведенной вторичной обмоток, приблизительно равны половине индуктивного сопротивления короткого замыкания

– сопротивления вторичной обмотки реального трансформатора:

– индуктивное, активное и полное процентные напряжения короткого замыкания:

В нагрузочном режиме очень важно знать, как влияют параметры нагрузки на КПД и изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение активной мощности, передаваемой нагрузке, к активной мощности, подводимой к трансформатору.

КПД трансформатора имеет высокое значение. У силовых трансформаторов небольшой мощности он составляет примерно 0,95, а у трансформаторов мощностью в несколько десятков тысяч киловольт-ампер доходит до 0,995.

Определение КПД по формуле с использованием непосредственно измеренных мощностей P1 и P2 даёт большую погрешность. Удобнее эту формулу представить в другом виде:

где – сумма потерь в трансформаторе.

В трансформаторе имеются два вида потерь: магнитные потери, вызванные прохождением магнитного потока по магнитопроводу, и электрические потери, возникающие при протекании тока по обмоткам.

Так как магнитный поток трансформатора при U1 = const и изменении вторичного тока от нуля до номинального практически остаётся постоянным, то и магнитные потерив этом диапазоне нагрузок также можно принять постоянными и равными потерям холостого хода. 

Электрические потери в меди обмоток ∆Pм пропорциональны квадрату тока. Их удобно выразить через потери короткого замыкания Pкн, полученные при номинальном токе,

где β – коэффициент нагрузки,

Расчетная формул для определения КПД трансформатора:

где Sн – номинальная полная мощность трансформатора; φ2 – угол сдвига фаз между напряжением и током в нагрузке.

Максимум КПД можно найти, приравняв первую производную к нулю. При этом получим, что КПД имеет максимальные значения при такой нагрузке, когда постоянные (не зависящие от тока) потери P0 равны переменным (зависящим от тока), откуда

У современных силовых масляных трансформаторов βопт = 0,5 - 0,7. С такой нагрузкой трансформатор наиболее часто работает в процессе эксплуатации.

График зависимости η = f(β) изображен на рисунке 1.

Рис. 6. Кривая изменения КПД трансформатора в зависимости от коэффициента нагрузки

Для определения процентного изменения напряжения на вторичной обмотке однофазного трансформатора используют уравнение

где uКА и uКР – активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания, выраженные в процентах.

Изменение напряжения трансформатора зависит от коэффициента нагрузки (β), её характера (угла φ2) и составляющих напряжения короткого замыкания (uКА и uКР).

Внешней характеристикой трансформатора является зависимость при U1 = const и cosφ2 = const (рис. 7).

Рис. 7. Внешние характеристики трансформаторов средней и большой мощностей при различных характерах нагрузки

Контрольные вопросы.

1. На каком явлении основана работа трансформатора?

2. Почему мощность, потребляемая трансформатором из сети при холостом ходе, примерно равна потерям в стали трансформатора?

3. Дайте определение коэффициента трансформации трансформатора.

4. Объясните причину увеличения тока в первичной обмотке трансформатора при увеличении нагрузки.

5. Почему в режиме короткого замыкания трансформатор не совершает полезной работы?

6. Дайте определение процентного изменения напряжения трансформатора.

7. Укажите виды потерь энергии в трансформаторе.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Составить краткий конспект лекции.

2. Ответить письменно на контрольные вопросы.

3. Подготовить презентацию: Трёхфазные трансформаторы. Параллельная работа трансформаторов. Автотрансформаторы. Измерительные трансформаторы.

Основные источники:

1. Данилов, И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М. : Высшая школа, 2010. - 752с.

2. Ермуратский, П.В., Лычкина Г.П., Минкин Ю.Б. Электротехника и электроника. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 416 с.

3. Электротехника и электроника / Под ред. Б.И. Петленко. – М. : Издательский центр «Академия», 2008.- 320 с.

4. Иванов, И. И., Соловьев, Г. И., Фролов, В. Я. Электротехника и основы электроники. — СПб. : Издательство «Лань», 2012. — 736 с.

Дополнительные источники:

1. Долгов, А.Н. Сборник задач по физике с решением и ответами. Электричество и оптика. – 186с.

2. Зайцев, А.П. Общая электротехника и электроника. – Томск : Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. – 178с.

3. Козлова, И. С. Электротехника. Конспект лекций. - ЭКСМО, 2008. - 160 с.

4. Мартынова, И.О. Электротехника: учебник / И.О. Мартынова. — М .: КНОРУС, 2015. — 304 с.

5. Петленко, Б.И. Электротехника и электроника. Москва, 2003. – 230 с.

6. Прошин, В.М. Электротехника для неэлектрических профессий. М :. – Академия, 2014. - 456с.

7. Прошин, В.М. Электротехника. М. : - Академия, 2013. – 288с.

Преподаватель: Владимир Александрович Волков