Трансформаторы - Общая электротехника и электроника

Трансформаторы - это электрические аппараты, предназначенные для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

Трансформатор имеет замкнутый магнитопровод из ферромагнитного материала, на котором расположены две или несколько обмоток, Принципиальная схема трансформатора представлена на рис. 2.23. На рисунке: 1 и 2 первичная и вторичная обмотки трансформатора с числом витков w1 и w2; 3 - магнитопровод.

принципиальная схема трансформатора

Рис. 2.23. Принципиальная схема трансформатора

При подключении первичной обмотки к сети переменного тока напряжением U1, по ней потечет ток I1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС E2.

Пусть к первичной обмотке с числом витков w1 приложено переменное напряжение:

Ему противодействует ЭДС самоиндукции

В соответствии с законом электромагнитной индукции величина e1 также равна:

После совместного решения двух предыдущих уравнений для действующего значения ЭДС первичной обмотки получаем

Данное выражение называют формулой грансформагорной ЭДС, которая устанавливает связь амплитуды магнитного потока ФM, частоты его изменения в магнитопроводе и числа витков обмотки с величиной индуцированной в ней ЭДС.

Так как первичная и вторичная обмотки трансформатора (рис. 2.23) пронизываются одним и тем же потоком Ф, то по аналогии можем записать:

Отношение Е1 к Е2 называется коэффициентом трансформации

Это один из основных параметров трансформатора.

Потери энергии в трансформаторе.

кривая перемагничивания ферромагнетика

Рис. 2.24. Кривая перемагничивания ферромагнетика

Другим важным параметром трансформатора является мощность Р2, которую он способен передать потребителям, подключенным к его вторичной обмотке. Очевидно, что мощность Р1, потребляемая из сети первичной обмоткой трансформатора, будет больше Р2 на величину потерь в самом трансформаторе ДР.

Где ДРСт - мощность потерь в стали (магнитопроводе) трансформатора;

ДРМ - мощность потерь в меди (проводах обмоток).

В свою очередь потери в стали разделяют на два вида:

Где ДРГ - потери на гистерезис;

ДРВ - потери на вихревые токи.

Потери на гистерезис пропорциональны площади (заштрихована) петли гистерезиса (см. рис. 2.24) и частоте перемагничивапия магнитонровола. На рис. 2.24: ВM - амплитуда магнитной индукции; НM - амплитуда напряженности магнитного поля (); - магнитная проницаемость вакуума; - относительная магнитная проницаемость; ВГ - остаточная индукция.

Для снижения потерь на гистерезис магнитопроводы трансформаторов выполняют из магнитомягких материалов, имеющих узкую петлю гистерезиса и малые значения остаточной индукции ВГ при максимальной величине относительной магнитной проницаемости (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты и др.).

Вихревые токи появляются в электропроводящих материалах (металлах, сплавах, электролитах и т. п.), помещенных в изменяющееся магнитное поле. Они индуцируются в контурах, плоскости которых перпендикулярны силовым линиям магнитного поля (см. рис. 2.25,а).

А) б)

Рис. 2.25. Вихревые токи в магнитопроводе трансформатора

Величина наведенных вихревых токов, замыкающихся по периметру сечения магнитопровода, прямо пропорциональна величине наведенной в контуре ЭДС и обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению материала магнитопровода.

Вихревые токи, во-первых, создают свое магнитное поле, ослабляющее основное поле; во-вторых, нагревая сердечник, бесполезно расходуют энергию, снижая КПД трансформатора.

Для уменьшения вихревых токов применяют.

    - магнитопроводы из электротехнической стали и примесью кремния с увеличенным удельным электрическим сопротивлением; - магнитопроводы выполняют шихтованными, т. е. из отдельных изолированных друг от друга листов стали толщиной 0,5 мм и менее (рис. 2.25,б).

Режимы работы трансформатора

Для исследования режимов работы трансформатора, расчета сетей целесообразно магнитную связь между первичным и вторичным контурами заменить электрической связью. На рис. 2.26 представлена Т-образная схема замещения трансформатора.

На схеме: X1 ,X2 ,R1 ,R2 - индуктивные и активные сопротивления первичной и вторичной обмоток; ZH - сопротивление нагрузки; X0 - индуктивное сопротивление, обусловленное основным магнитным потоком трансформатора; R0 - активное сопротивление, обусловленное магнитными потерями мощности в магнитопроводе трансформатора; Rг2=R2 n2, Xг2 =X2 n2, Iг2 =I2 /n, Uг2 = U2 n - приведенные параметры вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 2.26

При опыте холостого хода U1 =U1H , вторичная обмотка при этом разомкнута, в результате I20 =0, в то время как процентное отношение тока холостого хода в первичной цепи

I10*= I10 /I1H = (4 ч10)%

Активная мощность, потребляемая трансформатором P0 затрачивается на потери мощности в магнитопроводе PM

Рассчитываем: коэффициент трансформации

N = U1 / U2

Параметры схемы замещения

R0 = P0 / I10H 2

Z0 = U1H / I10H

Cosц0H = P0 / (I10HU1H)

При расчете предполагается, что потери в первичной обмотке невелики.

При опыте короткого замыкания вторичная обмотка замкнута накоротко, а первичная включается на пониженное напряжение U1k, при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи I1H и I2H здесь U2=0 и Z'H = 0.

В этом случае вся мощность PK ,потребляемая трансформатором, идет на нагрев его обмоток т. е. равна электрическим потерям Pэ в проводах обмоток.

Параметры упрощенной схемы замещения (рис 2.27):

Рис. 2.27

Напряжение короткого замыкания выражается обычно в процентах

КПД трансформатора - отношение полезной активной мощности P2 ко всей активной мощности, поступающей из сети P1.

,

Где

SH - полная мощность трансформатора

- коэффициент нагрузки

- коэффициент мощности потребителя электроэнергии.

ДPM = P0 ; ДPэ = RKI22 = RKIН2 в2 = в2 PK

КПД максимален при

Обмотки трехфазных трансформаторов могут соединяться звездой и треугольником. При симметричной нагрузке электромагнитные процессы в каждой фазе трехфазного трансформатора одинаковы, поэтому полученные ранее формулы для однофазного трансформатора могут быть применимы к трехфазным. Однако необходимо использовать фазные токи, напряжения и мощности.

Для трехфазного трансформатора активная мощность, потребляемая симметричной нагрузкой, равна:

Где РФ2 - мощность, потребляемая нагрузкой каждой фазы.

Для схемы соединения "звезда":

IФ2=I2; UФ2 = ,

Где I2 и U2 - линейный ток и линейное напряжение.

Для схемы соединения "треугольник*':

IФ2 = ; UФ2=U2.

Следовательно, независимо от схемы соединения:

Умножая на 3, получают:

Где

При I2=I2Н; U2=U2Н номинальную мощность трехфазного трансформатора определяют так:

Ее можно выразить через I2Н и U2Н:

Похожие статьи




Трансформаторы - Общая электротехника и электроника

Предыдущая | Следующая