Трансформаторы. Принцип действия трансформатора. Лекция 4-6

Основные типы трансформаторов
Силовые
Трансформаторы для статических преобразователей
Автотрансформаторы
Испытательные
Силовые специальные
Измерительные
Радиотрансформаторы
Специальные

Силовой трансформатор

Конструктивная схема силовых тр-ров
Замкнутая магнитная система – магнитопровод
Электрическая система – две или более обмоток
Охлаждающая система – воздушная, масляная, водяная, комбинированная
Механическая система – обеспечивает механическую прочность конструкции тр-ра.

Магнитопровод служит для усиления магнитной связи между обмотками, образует магнитную цепь по которой замыкается магнитный поток.
Магнитопровод собирается из листов электротехнической стали.
Силовые тр-ры выполняются с магнито-
проводом трех типов: стержневого, броневого, бронестержневого.

Стержневой трехфазный

Бронестержневой трансформатор

С пространственным магнитопроводом

Обмотки трансформаторов
Являются важнейшим элементом тран-сформатора.
Составляют половины стоимости тр-ра.
Практически всегда определяют срок эксплуатации тр-ра.
Обозначают: обмотку высокого напряжения (ВН), низкого напряжения –(НН)
По расположению на стержне обмотки подразделяют на

Концентрические и чередующиеся
Концентрические обмотки выполняют в виде полых цилиндров, размещенных на стержнях концентрически: ближе к стержню обмотка НН, а с наружи – обмотку ВН.
Чередующиеся (дисковые) выполняются в виде отдельных дисков (секций) обмоток НН и ВН располагаются на стержне в чередующем порядке.

Цилиндрическая обмотка

Чередующиеся

Принцип действия трансформатора
схема

Уравнения напряжений обмоток

Идеализированный трансформатор – это
трансформатор без потерь
Свойства:

Уравнения ЭДС обмоток

Из (3) очевидно, что ЭДС обмоток е1 и е2 отстают от магнитного потока Ф
на угол . Действующие значения ЭДС и напряжений обмоток:

Коэффициент трансформации
Принимаем обмотку с ЭДС Е1 за обмотку ВН
Отношение ЭДС обмоток ВН и НН называют
коэффициентом трансформации

Намагничивающий ток
Ток, необходимый для создания магнитного поля в трансформаторе, называется намагничивающим.Обозначается .
Из закона Ома для магнитной цепи

Токи, магнитные потоки, напряжения обмоток трансформатора изменяются по синусоидальному характеру. Потому, для токов, магнитных потоков, напряжений трансформатора целесообразно
использовать комплексную форму записи.

Ток холостого хода трансформатора
Ток холостого хода содержит активную и реактивную составляющие. Реактивной составляющей является ток намагничивания

Векторная диаграмма ХХ

Схема, ХХ
МДС F0

Нагрузка
МДС

Уравнения МДС и токов
При нагрузке трансформатора

Если коэффициент трансформации
(5), то ток вторичной
обмотки, приведенный к первичной обмотке,

Приведенный трансформатор
Это трансформатор у которого
параметры (активные и индуктивные сопротивления), токи и напряжения вторичной обмотки пересчитываются на число витков первичной обмотки.
При этом все мощности и фазовые углы сдвигов во вторичной обмотке приведенного трансформатора должны быть такими, как в реальном трансформаторе.

В результате приведения вторичной
обмотки к первичной получим:
для напряжения и тока

для активного сопротивления
из равенства активных потерь в реальной и приведенной вторичной обмотки

для реактивного сопротивления рассеяния: Из равенства реактивных мощностей в реальной и приведенной вторичной обмотки

Уравнения приведенного трансформатора

Схема
точки А и a, а также X и x имеют одинаковые потенциалы, что позволяет их соединить и получить
Т-образную схему замещения

Т-образная схема замещения

Т-образная схема замещения

Параметры схемы замещения

Параметры нагрузки
Активно-индуктивная

Активно-емкостная

Определение параметров схемы
Параметры схемы замещения определяются из опытов холостого хода и короткого замыкания трансформатора.

Опыт холостого хода
В режиме хх:
Уравнения трансформатора

Полезная мощность при х.х. равна нулю. Мощность на входе трансформатора в режиме ХХ расходуется на магнитные потери в магнитопроводе и электрические потери в меди одной лишь первичной обмотки ( ).

Однако ввиду небольшой величины тока ХХ , который составляет 2÷10% от номинального тока , электрическими потерями можно пренебречь и считать, что вся мощность ХХ представляет собой мощность магнитных потерь в стали магнитопровода. Поэтому магнитные потери в трансформаторе принято называть потерями холостого хода.

Векторная диаграмма холостого хода

Короткое замыкание
Схема

В режиме КЗ:

В условиях эксплуатации КЗ трансформатора при номинальном напряжении представляют большую опасность для трансформатора, так как установившиеся токи КЗ превышают номинальные токи в 10-30 раз.

Опыт КЗ для трансформатора опасности не представляет, так как проводится при пониженном напряжении, при котором токи в обмотках трансформатора равны номинальным.
Пониженное напряжение называют напряжением короткого замыкания и обычно выражают в процентах от номинального напряжения

Магнитный поток пропорционален напряжению первичной обмотки
При пониженном напряжении магнитный поток незначительный и для его создания требуется незначительный ток намагничивания, т.е. ток холостого хода.

Следовательно, в опыте КЗ током и потоком намагничивания можно пренебречь и поэтому:
1.Схема замещения не содержит ветви намагничивания:
2. Можно пренебречь потерями в железе магнитопровода и считать
мощность КЗ – электрическими потерями в обмотках трансформатора.

Потери короткого замыкания

Уравнение трансформатора при КЗ

Параметры КЗ

В силовых трансформаторах пренебрегают током холостого хода и пользуются «упрощенной схемой замещения» трансформатора

Упрощенная векторная диаграмма
(активно-индуктивная нагрузка)

Активно-емкостная
Векторная диаграмма

Треугольник АВС – треугольник короткого замыкания.
Стороны треугольника:

Внешние характеристики трансформатора
Изменения тока нагрузки приводит к изменению вторичного напряжения вследствие падения напряжений
в обмотках трансформатора.
Изменение вторичного напряжения оценивается в процентах

по формулам:
где - напряжения вторичной обмотки при ХХ и номинальной нагрузке.

Из упрощенной векторной диаграммы получим формулу расчета ΔU (%):

Внешняя характеристика

КПД трансформатора
Работа трансформатора сопровождается потерями активной мощности в обмотках трансформатора и железе магнитопровода.
Электрические потери в обмотках

Потери в железе магнитопровода
Формулами (21), (22) расчета потерь пользуются обычно на стадии проектирования трансформатора. Для изготовленных трансформаторов потери определяются: электрические в обмотках - из опыта КЗ при

Т.е.
Электрические потери в обмотках называют переменными потерями.
Потери в железе определяют из опыта ХХ при номинальном напряжении
и частоте f1=const

Т.е.
Потери ХХ называют постоянными потерями.
Суммарные потери:

Полезная и подведенная активная мощность:

КПД трансформатора

Анализ выражения (25):
1. Чем больше , тем больше КПД;
2. КПД достигает максимума при равенстве переменных потерь постоянным. Из этого условия получим
Обычно β=0,45-0,65.

Схемы и группы
Однофазный трансформатор

Однофазный трансформатор