ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Трансформаторы

Назначение и области применения трансформаторов Трансформатором (от лат. transformo - преобразую) называется электромагнитное статическое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии в цепях переменного тока. С помощью трансформаторов можно изменить величину напряжения, тока, начальной фазы и частоты, т.е. любого из параметров, определяющих напряжение или ток в цепи. Мощность изменить нельзя. Основной вид трансформаторов - трансформатор напряжения, т.е. устройства, предназначенного для преобразования одного переменного синусоидального напряжение в другое той же частоты.

Назначение и области применения трансформаторов Павел Николаевич Яблочков, русский изобретатель, занимаясь проблемой автономной работы нескольких светильников с разным напряжением от одного генератора, в 1876 г. разработал систему «дробления» электрической энергии, впервые использовав индукционную катушку в качестве трансформатора с разомкнутым сердечником для питания нескольких дуговых ламп.

Назначение и области применения трансформаторов В 1882 г. русский электротехник И.Ф. Усагин, а в 1884 г. французский инженер Болард создали трансформатор напряжения (для повышения или понижения напряжения). В 1885 году венгерские инженеры М. Дери и О. Блати вместе с К. Зиперовским разработали трансформаторы с замкнутым магнитопроводом. В 1891 году М.О. Доливо-Добровольский разработал конструкцию первого трехфазного электрического трансформатора, после чего применение трансформаторов стало резко возрастать.

Назначение и области применения трансформаторов Вся электрическая энергия, вырабатываемая промышленным способом, проходит несколько стадий преобразования напряжения с помощью трансформаторов. Генераторы электрических станций вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6, 10, 15, 35 кВ, так как на более высокие напряжения конструировать электрогенераторы сложно в связи с трудностью обеспечить хорошую изоляцию обмоток.

Назначение и области применения трансформаторов В то же время в линиях электропередачи применяют напряжения до 110, 220, 400, 500 кВ и более, чтобы уменьшить силу тока в линии, а значит и сечение проводов, что позволяет резко снизить мощность потерь и стоимость линий электропередач.

Назначение и области применения трансформаторов Таким образом, необходимы повышающие трансформаторы, увеличивающие напряжение генераторов электрических станций до напряжения линий электропередач. У потребителя высокий уровень напряжение несколькими ступенями понижается до 380/220 В.

Назначение и области применения трансформаторов Однако многие устройства не могут работать и при таком напряжении, в частности устройства автоматики, бытовой техники, компьютеры и т.п. Поэтому они содержат один или несколько трансформаторов, преобразующих сетевое напряжение к необходимому для них уровню питания.

Назначение и области применения трансформаторов Основные элементы системы электроснабжения: трехфазный генератор (1), в котором механическая энергия преобразуется в электрическую с трехфазной системой ЭДС, линии передачи (3, 5, 6, 8) и приемники (потребители) (9,10), которые могут быть как трехфазными (например, электродвигатели), так и однофазными (например, лампы освещения), повышающие (2) и понижающие (4, 7) трансформаторы.

Назначение и области применения трансформаторов Разработка силовых трансформаторов дала возможность передавать электричество на большие расстояния, так как с возрастанием величины передаваемого напряжения уменьшаются потери электрической энергии, и появляется возможность уменьшить сечение проводов. Электрические трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 99 % и высокую надежность, так как не содержат движущихся частей. Кроме применения трансформаторов для повышения и понижения напряжений при передаче электрической энергии на расстоянии, есть широкий класс сварочных трансформаторов, а в измерительной технике применяются трансформаторы тока и напряжения для подключения к ним измерительных приборов и устройств автоматики.

Устройство и принцип действия Простейший трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника), который набран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной мм, с целью уменьшения потерь Pст (потерь в стали) на вихревые токи и двух обмоток в виде цилиндрических катушек. Листы магнитопровода изолируют друг от друга лаком, тонкой бумагой или слоем окалины, получаемой за счет металлургической обработки их поверхностей. Магнитопровод необходим для усиления магнитной связи между обмотками.

Устройство и принцип действия В системах электроснабжения в основном применяются трансформаторы с масляной изоляцией. В них магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом. Пропитка маслом повышает электрическую прочность изоляции, а его циркуляция улучшает охлаждение обмоток и магнитопровода. В общественных и производственных помещениях по условиям пожарной безопасности баки трансформаторов заполняют негорючей жидкостью (стволом, совтолом) или используют сухие трансформаторы с воздушным охлаждением. Они рассчитаны на меньшие мощности, чем масляные, и выполняются на напряжения до 10 кВ. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 4000 кВА).

Устройство и принцип действия Обмотки трансформаторов чаще выполняют в виде цилиндрических катушек из медных или алюминиевых изолированных друг от друга проводов круглого или прямоугольного сечения. Для лучшей магнитной связи их обычно располагают концентрически одна на другой. Ближе к стержню в трансформаторах большой мощности обычно находится обмотка низшего напряжения – НН, а обмотка высшего напряжения ВВ – снаружи. У маломощных трансформаторов расположение обмоток может быть обратным. (1 – магнитопровод, 2 – обмотка НН, обмотка ВН).

Устройство и принцип действия Обозначения на схемах трансформаторов. а,б – однофазный трансформатор напряжения; в, г, д, е – трехфазный трансформатор напряжения

Устройство и принцип действия Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Одна из обмоток подключается к источнику переменного синусоидального тока с напряжением u1 и называется первичной обмоткой. К другой обмотке подключается нагрузка трансформатора. Эта обмотка называется вторичной обмоткой.

Устройство и принцип действия При подаче от источника электрической энергии напряжения u 1 на первичную обмотку электрического трансформатора в ней возникает ток i 1 возбуждающий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф 0. который, пронизывает витки w 1 первичной обмотки и w 2 вторичной обмотки. При этом в обмотках индуцируется ЭДС e 1 в первичной обмотке и e 2 во вторичной обмотке. Величина ЭДС первичной обмотки e 1 практически равна напряжению питания u 1 и действует почти в противофазе.

Устройство и принцип действия Если ко вторичной обмотке подключить нагрузку Z н, то по обмотке и через нагрузку будет протекать ток i 2, а на нагрузке появится напряжение u 2. Таким образом электрическая энергия, трансформируясь, предается из первичной обмотки во вторичную. Помимо потока в магнитопроводе Ф 0, называемого основным магнитным потоком, протекающие по обмоткам токи создают потоки Ф S1 и Ф S2. Результирующий поток Ф 0 :

Устройство и принцип действия Магнитный поток Ф S1 направлен согласованно с Ф 0, а Ф S2 (по правилу Ленца) встречно общему магнитному потоку. Чтобы результирующий магнитный поток оставался неизменным, магнитный поток вторичной обмотки Ф S2 должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки Ф S1. Поэтому при увеличении тока i 2 увеличивается и ток i 1. Магнитные потоки, создаваемые этими токами уравновешиваются, и результирующий магнитный поток в сердечнике Ф 0 сохраняет практически неизменное значение.

Устройство и принцип действия Уравнения электрического состояния в первичной и вторичной цепях: Мгновенные значения ЭДС, индуцируемых в обмотках трансформатора, равны:

Устройство и принцип действия Действующие значения ЭДС e1 и e2 при синусоидальном изменении магнитного потока Ф 0 : где f – частота сети, Гц; Фм – максимальное значение основного потока, Вб.

Устройство и принцип действия Отношение ЭДС обмоток трансформатора, равное отношению числа витков, называется коэффициентом трансформации. При k T >1 трансформатор понижающий, а при k T <1 повышающий. Трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий, для этого необходимо поменять подключение источника и нагрузки, но при этом сечение проводников и изоляция должны быть рассчитаны на эти напряжения и нагрузку.

Устройство и принцип действия С изменением нагрузки трансформатора изменяются токи i 1 и i 2 в его обмотках, падение напряжения в них и напряжение u 2 на зажимах вторичной обмотки. Зависимость U 2 (I) называют внешней характеристикой. При активной и активно-индуктивной нагрузке эта характеристика имеет вид наклонной прямой (1), где отмечают изменение напряжения ΔU при номинальном токе I 2Н. 1 I2I2 U2U2 ΔU I 2Н

Устройство и принцип действия Эта характеристика имеет большое значение для эксплуатации трансформатора, т.к. стандартом на качество электроэнергии определяется допустимое отклонение напряжения в сети от номинального значения. Обычно оно не должно превышать ±5%. Отклонение напряжения на большую величину опасно для потребителей, т.к. они выходят из нормального режима работы. 1 I2I2 U2U2 ΔU I 2Н

Устройство и принцип действия Уравнение баланса активной мощности для трансформатора имеет вид: где Р 1 – активная мощность, получаемая от источника питания; Р 2 = U 2 I 2 Cosφ 2 - активная мощность передаваемая нагрузке, подключённой к трансформатору; ΔP – суммарная мощность потерь в трансформаторе.

Устройство и принцип действия Уравнение баланса активной мощности для трансформатора имеет вид: ΔP - суммарная мощность потерь в трансформаторе, складывающаяся из мощности потерь в «стали» ΔР СТ и «меди» ΔР М первичной и вторичной обмоток (ΔР 1 и ΔР 2 ).

Устройство и принцип действия Потери в «стали» состоят из потерь на гистерезис P Г и вихревые токи P В. Эти потери зависят от сорта стали, возрастают с увеличением частоты, магнитной индукции и массы магнитопровода. Потери от вихревых токов : где σ Г и σ В – безразмерные коэффициенты; f – частота; n1,6; B m – амплитуда магнитной индукции; G – масса сердечника, кг.

Устройство и принцип действия Потери от гистерезиса: где σ Г и σ В – безразмерные коэффициенты; f – частота; n1,6; Bm – амплитуда магнитной индукции; G – масса сердечника, кг. Потери в «стали» состоят из потерь на гистерезис P Г и вихревые токи P В. Эти потери зависят от сорта стали, возрастают с увеличением частоты, магнитной индукции и массы магнитопровода.

Устройство и принцип действия Потери в «стали» не зависят от нагрузки и равны потерям холостого хода (определяемые опытом холостого хода): Так как эти величины при нормальной эксплуатации трансформатора остаются постоянными, то и потери в «стали» также сохраняют своё значение и называются постоянными потерями.

Устройство и принцип действия Прохождение токов по обмоткам трансформатора вызывает потери мощности в обмотках (потери в «меди»), пропорциональные квадрату коэффициента загрузки трансформатора: где β – загрузка трансформатора, Pk – номинальные потери в обмотках. Потери в обмотках ΔР М зависят от протекающего по ним тока и изменяются при изменении нагрузки. Поэтому этот вид потерь называется переменными потерями. где P 2 – полезная мощность трансформатора (Вт), S Н – номинальная полная мощность (ВА); Cos φ – коэффициент мощности нагрузки.

Устройство и принцип действия КПД трансформатора где P 1 – мощность на входе трансформатора, P2 – мощность на нагрузке. Большинство трансформаторов эксплуатируется при β = 0,5-0,7. Это обеспечивает для трансформаторов средней и большой мощности η max =0,95-0,99, а для трансформаторов малой мощности η max =0,6-0,9.

Устройство и принцип действия Зависимость η=f(β) можно представить в виде графика. При начальном увеличении нагрузки от «0» КПД трансформатора резко возрастает, а затем меняется очень мало, достигая при некотором значении β максимума. β η 0,5 0,2 0,4 0,6 0,8 Это означает, трансформатор будет работать с максимальным значением КПД при полной нагрузке (β = 1,0) в том случае, если потери в «стали» равны потерям в «меди».

Схемы замещения Эквивалентной схемой трансформатора называется такая комбинация электрически соединенных сопротивлений, которая при включении на место трансформатора будет потреблять ту же мощность при том же токе и сдвиге фаз, как и замещаемый трансформатор. Схема замещения используется для практических расчетов трансформатора.

Схемы замещения В полной или Т-образной схеме замещения можно выделить три ветви: ветвь первичной обмотки – R 1 и X 1 – активное и индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора. ветвь вторичной обмотки – R 2 и X 2 – приведенные активное и индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора. ветвь холостого хода – R 0 и X 0 – активное и индуктивное сопротивление ветви холостого хода трансформатора.

Схемы замещения При составлении схемы замещения исключается магнитная связь между обмотками трансформатора, причем все элементы вторичной обмотки приводятся к напряжению первичной обмотки. Все параметры Т- образной схемы замещения не могут быть найдены расчетным или экспериментальным путем.

Схемы замещения Для упрощения ветвь холостого хода выносят к входным зажимам. В этом случае получается Г – образная схема замещения

Схемы замещения Г – образную схему можно упростить, если объединить сопротивления R 1 и R 2, X 1 и X 2. Тогда R K =R 1 +R 2, X K =X 1 +X 2. Для нахождения параметров схем замещения и проверки работоспособности трансформатора применяют опыты холостого хода, короткого замыкания и подключение на нагрузку.

Опыт холостого хода Для проведения опыта х.х. собирают цепь с источником синусоидального напряжения U1x. По данным опыта находят значения I 0, x 0, r 0 для Г- образной схемы замещения трансформатора. где P X – мощность потерь холостого хода (потери в «стали»), измеряемая в схеме ваттметром, Вт Опыт холостого хода используется как элемент технического контроля.

Опыт короткого замыкания Опыт короткого замыкания производится при закороченной вторичной обмотке трансформатора При испытании в режиме короткого замыкания напряжение источника питания понижают до величины, при которой токи в обмотках не превышают номинальных значений. Напряжение U 1k плавно повышают от нуля до тех пор, пока ток первичной обмотки не достигнет номинальной величины I 1Н. При этом фиксируют мощность потерь P K (потери в «меди»), напряжение на первичной обмотке U 1k.

Опыт короткого замыкания производится при закороченной вторичной обмотке трансформатора По данным опыта находят значения x K, r K для Г- образной схемы замещения трансформатора. где P К – мощность потерь короткого замыкания (потери в меди), измеряемая в схеме ваттметром, Вт Опыт короткого замыкания

Векторная диаграмма даёт наглядное представление о соотношениях между различными величинами, характеризующими работу трансформатора. С её помощью можно проследить влияние величины и характера нагрузки в различных режимах. Уравнение электрического состояния в первичной цепи: Уравнение электрического состояния во вторичной цепи: Векторная диаграмма

Построение диаграммы лучше начинать с векторов независимых от режима работы трансформатора. Такими векторами являются векторы основного магнитного потока Фо, тока холостого хода I 0 и ЭДС E 1 и E 2, наводимых основным магнитным потоком в первичной и вторичной обмотках. Рассмотрим векторную диаграмму трансформатора при активно-индуктивной нагрузке. Векторная диаграмма

Начальную фазу основного магнитного потока можно принять равной нулю и построить на вещественной оси вектор Ф 0, а затем вектор I 0, опережающий основной поток на угол магнитных потерь δ. Вектор ЭДС основного потока первичной обмотки Е 1 и равный ему вектор приведённой ЭДС вторичной обмотки Е 2 отстают по фазе от потока Ф 0 на 90° и располагаются на мнимой оси в отрицательном направлении. Векторная диаграмма

Так как нагрузка трансформатора активно-индуктивной, строим вектор тока вторичной обмотки I 2 с отставанием по фазе на некоторый угол от Е 2. Теперь можно построить вектор тока в первичной обмотке I 1, как разность векторов тока холостого хода I 0 и тока I 2. Для построения вектора напряжения на входе трансформатора U 1 суммируем вектор ЭДС –Е 1, вектор падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки R 1 I 1, совпадающий по направлению с вектором тока I 1, и вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния jX S 1 I 1, опережающий вектор тока I 1 на 90°. Векторная диаграмма

Вектор напряжения в нагрузке получается вычитанием из вектора ЭДС E 2 вектора падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния jXs 2I 2, опережающего вектор тока I 2 на 90°, и вектора падения напряжения на активном сопротивлении вторичной обмотки R 2 I 2, совпадающего по направлению с вектором тока I 2. Следует заметить, что векторы R 1 I 1, jXs 1 I 1, R 2 I 2, jXs 2I 2 показаны в сильно увеличенном масштабе для того, чтобы проследить их положение относительно других векторов. На самом деле эти напряжения приблизительно на порядок меньше ЭДС основного магнитного потока. Векторная диаграмма

На щитке электрического трансформатора указывают: высшее и низшее номинальные напряжения; номинальная полная мощность S = U1 · I1, ВА или кВА; частота f (Гц); токи в первичной и вторичной (I1 н,I2 н) обмотках при номинальной мощности; коэффициент трансформации k T ; напряжение короткого замыкания U К, % мощность потерь холостого хода P 0, Вт ток холостого хода I 0, % число фаз; схема соединений обмоток (звездой или треугольником) в случае трехфазного электрического трансформатора; режим работы (длительный или кратковременный); способ охлаждения (масляный, воздушный). Паспортные данные трансформатора

Для трансформации трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора, обмотки которых могут быть соединены по схеме звезды или треугольника. На практике применяют трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз магнитопроводом. Трехфазный трансформатор.

Зажимы трехфазного трансформатора различают в порядке чередования фаз: на стороне высшего напряжения зажимы А, В, С начала обмоток, X, Y, Z их концы; на стороне низшего напряжения соответственно а, b, с и х, у, z. Основными способами соединения обмоток являются соединения звездой и треугольником. Трехфазный трансформатор.

Соединение обеих обмоток в звезду является самым простым и дешевым, поскольку каждая из обмоток и ее изоляция (при заземленной нейтрали) должны быть рассчитаны только на фазные напряжения и линейный ток. Соединение звезда треугольник применяют для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтральный провод. Трехфазный трансформатор.

В автотрансформаторе обмотка низшего напряжения составляет часть обмотки высшего напряжения. Электроэнергия в автотрансформаторах передается не только электромагнитным путем, но и за счет непосредственной связи обмоток. Автотрансформаторы.

Напряжения и токи в автотрансформаторе связаны теми же соотношениями, как и в обычном трансформаторе: Автотрансформаторы. Токи I1 и I2 противоположны по фазе, поэтому в общей части обмотки w2 протекает ток

Для всей передаваемой мощности, называемой проходной, можно записать: Автотрансформаторы. где S Э мощность, передаваемая из обмотки w 1 в обмотку w 2 благодаря электрической связи; S Р расчетная мощность, передаваемая магнитным путем.

Расчетная мощность определяет размеры магнитопровода и, так как она составляет лишь часть проходной, то при изготовлении автотрансформатора, можно использовать магнитопровод меньшего сечения, чем при создании обычного трансформатора той же мощности. Это позволяет экономить сталь. Помимо этого, при изготовлении автотрансформатора экономится медь. Автотрансформаторы.

С уменьшением сечения магнитопровода уменьшается средняя длина витка; обмотки имеют общую часть и эта часть обмотки w2 может быть выполнена проводом меньшего сечения, чем обмотка низшего напряжения обычного трансформатора той же мощности. Однако преимущества автотрансформатора существенны лишь при малых коэффициентах трансформации. При увеличении k T все больше сказывается принципиальный недостаток автотрансформатора наличие электрической связи его обмоток. Автотрансформаторы.

Из-за этого возрастает опасность поражения током лиц, пользующихся распределительной сетью. Так как первичная и вторичная цепи автотрансформатора электрически соединены, то необходимо принимать дополнительные меры к обеспечению безопасности и усилению изоляции вторичной электрической цепи. Кроме того, обе цепи (первичная и вторичная) должны быть одинаково изолированы по отношению к земле, что ведет к удорожанию сети. Автотрансформаторы.

Широкое применение находят лабораторные маломощные автотрансформаторы (ЛАТРы), рассчитанные на мощности 0,5; 1; 2; 5; 7,5 кВА. Автотрансформаторы.

В энергетике применяют трехобмоточные трансформаторы с одной первичной и двумя вторичными обмотками или двумя первичными и одной вторичной обмоткой. За номинальную мощность такого трансформатора принимают номинальную мощность наиболее мощной его обмотки. В устройствах радиотехники и автоматики часто применяют многообмоточные трансформаторы малой мощности с одной первичной и несколькими вторичными обмотками. Трансформаторы.

Сварочные трансформаторы это однофазные трансформаторы с вторичным напряжением на холостом ходу, равным 6075 В. При работе такого трансформатора короткое замыкание является нормальным эксплуатационным режимом. Цепь сварочного тока трансформатора должна иметь большую индуктивность, для чего последовательно с вторичной обмоткой включают дроссель. Благодаря этому ограничивается ток короткого замыкания. Трансформаторы.

В устройствах автоматики, электроники, связи широко используют импульсные трансформаторы, которые служат для передачи импульсных сигналов малой длительности. Основное требование, предъявляемое к этим трансформаторам, минимальное искажение сигнала обеспечивается уменьшенным значением индукции в магнитопроводе и применением для него магнитных материалов с высокими магнитными свойствами (на высоких частотах). Так же как и в высокочастотных трансформаторах, здесь используют магнитопроводы из тонких листов высококачественной электротехнической стали, железоникелевых сплавов, магнитодиэлектриков и ферритов. Трансформаторы.

Для подключения электроизмерительных приборов к цепям с большими токами и напряжениями используют измерительные трансформаторы Кроме того, они позволяют полностью изолировать эти приборы и человека от цепи высокого напряжения, в которой производится измерение. Трансформаторы.

Выходные значения напряжений и токов, а также погрешности измерения первичных величин, вносимые трансформаторами, нормируются ГОСТами. В ГОСТах указываются для каждого класса точности не только наибольшая погрешность трансформации, но и максимальная угловая погрешность, характеризующая угол сдвига фаз между токами (напряжениями) в первичной и вторичной обмотках. Трансформаторы.

Номинальной мощностью трансформатора напряжения называется мощность, при которой его погрешности не превышают величин, нормированных для данного класса точности. Эту мощность в вольт-амперах указывают на щитке трансформатора. Трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу. Трансформаторы.

Отличительной особенностью работы трансформатора тока является последовательное соединение его первичной обмотки с потребителями энергии: величина первичного тока I 1 определяется только током потребителя (сопротивление первичной обмотки трансформатора тока мало по сравнению с сопротивлением нагрузки). Трансформаторы.

Улучшение класса точности, осуществляют уменьшением магнитного сопротивления сердечника: сердечник изготовляют без стыка и из лучших магнитных сплавов (типа пермаллой). При номинальном режиме напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора тока составляет несколько вольт ввиду малости сопротивлений последовательных цепей измерительных приборов. Этот режим близок к короткому замыканию. Трансформаторы.

Если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора, то прекратится размагничивающее действие тока I 2, что приведет к значительному увеличению магнитного потока, ограничиваемого только насыщением сердечника. Так как потери в сердечнике пропорциональны квадрату индукции, возможен чрезмерный нагрев трансформатора тока и, следовательно, выход его из строя. Кроме того, большой магнитный поток возбуждает во вторичной цепи большую ЭДС, пиковое значение которой может достигать опасной для жизни величины. Трансформаторы.

Поэтому контактные соединения во вторичной цепи должны выполняться надежно так, чтобы цепь не могла быть разорвана. На случай возможных переключений трансформаторы тока снабжают приспособлениями, закорачивающими выходные зажимы вторичной обмотки. Для измерения тока без разрыва цепи нагрузки применяют так называемые измерительные клещи, у которых магнитопровод сделан разъемным для захвата провода с измеряемым током. Трансформаторы.