Однофазный трансформатор – основные характеристики и режимы работы

Содержание

основные характеристики и режимы работы

В энергетической сфере деятельности используются первичные источники высокого переменного напряжения, однако в быту или на предприятиях необходимо значительно его снизить. Для этой цели применяются трансформаторы. Для полного понимания и грамотного применения напряжения в быту необходимо знать принцип действия однофазного трансформатора.

Общие сведения о трансформаторах

Значительно легче передавать переменный ток на большие расстояния, так как достигаются минимальные потери, связанные с величинами напряжения (U) и тока (I). Кроме того, для передачи не переменного, а постоянного I необходимо применять сложную электронику, которая основана на усилении параметров электричества. Основной частью этой технологии являются мощные транзисторы, которые требуют специального охлаждения, и главным критерием является цена. Использование трансформаторов, которые работают только от переменной величины тока, является оптимальным решением.

Назначение и устройство

Трансформатор (Т) — это специализированное электрическое устройство, которое работает только от переменного I и используется для преобразования значений входного U и I в необходимые значения этих величин, предусмотренных потребителем.

Т является довольно примитивным устройством, однако в его конструкции есть некоторые особенности. Для понимания принципа действия однофазного трансформатора следует изучить его назначение и устройство. Устроен однофазный трансформатор следующим образом — он состоит из магнитопровода и обмоток.

Магнитопровод, или сердечник трансформатора, выполнен из ферромагнитного материала.

Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью. Это обусловлено тем, что атомы вещества обладают очень важными свойствами: постоянные спиновые и орбитальные моменты. Свойства ферромагнетиков зависят от температуры и действия магнитного поля. Для изготовления магнитопровода Т используются такие материалы: электротехническая сталь или пермаллой.

Электротехническая сталь содержит в своем составе большую массовую долю кремния (Si), которая под действием высокой температуры соединяется с атомами углерода ©. Этот тип используется во всех типах Т, независимо от мощности.

Пермаллой является сплавом, состоящим из никеля (Ni) и железа (Fe), и применяется только в маломощных трансформаторах.

Тип Т представляет собой катушки, состоящие из каркаса и провода, покрытого изоляционным материалом. Этот провод намотан на основание катушек, и количество витков зависит от параметров Т. Количество катушек может быть 2 и более, оно зависит от конструктивной особенности электрического устройства и определяется сферой применения.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора довольно простой и основан на генерации электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках проводника, который находится в движущемся магнитном поле и сгенерирован при помощи переменного I. При прохождении электричества по обмоткам первичной катушки создается магнитный поток (Ф), который пронизывает и вторичную катушку. Силовые линии Ф благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру. Для получения оптимальной мощности Т необходимо располагать катушки обмоток на близком расстоянии относительно друг друга.

Исходя из закона электромагнитной индукции происходит изменение Ф и индуцируется в первичной обмотке ЭДС. Эта величина называется ЭДС самоиндукции, а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции.

При подключении потребителя к первичной обмотке Т в цепи появится электрическая энергия, которая передается из первичной обмотки через магнитопровод (катушки не связаны гальванически). В этом случае средством передачи электроэнергии служит только Ф. Трансформаторы по конструктивной особенности бывают различные. По достижению максимальной магнитной связи (МС) Т делятся на следующие типы:

  1. Сильная.
  2. Средняя.
  3. Слабая.

При слабой МС происходит значительная потеря энергии и Т такого типа практически не применяются. Основной особенностью таких Т являются незамкнутые сердечники.

Уровень средней МС достигается только при полностью замкнутом магнитопроводе. Одним из примеров такого Т является стержневой тип, у которого обмотки расположены на железных стержнях и соединены между собой накладками или ярмами. В результате такой конструкции получается полностью замкнутый сердечник.

Примером сильной МС является Т броневого типа, обмотки которого располагаются на одной или нескольких катушках. Эти обмотки расположены очень близко, благодаря чему и обеспечивается минимальная потеря электрической энергии. Магнитопровод полностью покрывает катушки, создавая более сильный Ф, который разбивается на 2 части. У трансформаторов такого типа потоки сцепления между обмотками практически равны.

Режимы работы

Т, как и любой вторичный источник питания, имеет определенные режимы работы. Режимы отличаются потреблением I. Существует 2 режима: холостого хода и нагрузки. При холостом ходе Т потребляет минимальное количество I, которое используется только на намагничивание и потери в обмотках на нагревание. Кроме того, происходит рассеивание магнитного поля. Ф создается I магнитодвижущей силы, которую генерирует первичная обмотка. В этом случае I холостого хода составляет 3−10% от номинального показателя (Iн).

При нагрузке во II обмотке появляется I, а значит — и магнитодвижущая сила (МДС). По закону Ленца: МДС II обмотки действует против МДС первичной обмотки. При этом ЭДС в первичной обмотке во время нагрузки Т равна U и прямо пропорциональна Ф. В этом случае получение k можно записать в виде: I1 / I2 = w2/w1 = 1/k.

Исходя из формул для расчета k, можно получить еще одно соотношение Т: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.

Это соотношение показывает, что мощность, потребляемая первичной обмоткой, равна мощности, которую потребляет II обмотка при нагрузке. Мощность Т измеряется в вольт-амперах (ВА).

Основные параметры

Кроме того, следует отметить, что любой Т обладает некоторыми параметрами, которые и отличаются от других трансформаторов. К тому же, если понимать эти зависимости, то можно рассчитать и изготовить Т своими руками.

Связь между ЭДС, возникающей в обмотках Т, зависит от количества витков каждой из них. Исходя из того, что I и II обмотки пронизываются одним и тем же Ф, возможно вычислить следующее соотношение на основании общего закона индукции для мгновенных значений ЭДС:

  1. Для первичной с количеством витков w1: e1 = — w1 * dФ/dt * E-8.
  2. Для вторичной с количеством витков w2: e2 = — w2 * dФ/dt * E-8.

Соотношение dФ/dt показывает величину изменения Ф за единицу времени. Значение потока Ф зависит от закона изменения переменного тока за единицу времени. Исходя из этих выражений получается следующая формула соотношения числа витков к ЭДС каждой обмотки:

e1/e2 = w1/w2.

Следовательно, можно сделать следующий вывод: индуцируемые в обмотках значения ЭДС также относятся к друг другу, как и число витков обмоток. Для более простой записи можно сопоставить значения e и U: e = U. Из этого следует, что e1 = U1 e2 = U2 и возможно получить еще одну величину, называемую коэффициентом трансформации (к): e1/e2 = U1/U2 = w1 / w2 = k. По коэффициенту трансформации Т делятся на понижающие и повышающие.

Понижающим является Т, k которого меньше 1, и, соответственно, если к > 1, то он является повышающим. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания Ф (они незначительны и ими можно пренебречь) вычислить основной параметр Т (k) достаточно просто. Для этого необходимо воспользоваться следующим простым алгоритмом нахождения k: найти соотношения U обмоток (если обмоток более 2, то соотношение нужно искать для всех обмоток).

Однако расчет k является только первым шагом для дальнейшего расчета или выявления неисправности на наличие короткозамкнутых витков.

Чтобы определить значения U, необходимо использовать 2 вольтметра, точность которых составляет около 0,2−0,5. Кроме того, для определения k существуют такие способы:

  1. По паспорту.
  2. Практически.
  3. Использование определенного моста (мост Шеринга).
  4. Прибором, предназначенным для этой цели (УИКТ).

Таким образом, принцип работы однофазного трансформатора основан на простом законе физики, а именно: если проводник с n количеством витков поместить в магнитное поле, причем это поле должно постоянно меняться с течением времени, то в витках будет генерироваться ЭДС. В этом случае справедливо и обратное утверждение: если в постоянное магнитное поле поместить проводник и осуществлять им движения, то в его обмотках начинает появляться ЭДС.


220v.guru

Однофазный трансформатор. Назначение, устройство и основные характеристики

Есть старая институтская шутка. На вопрос преподавателя «как работает однофазный трансформатор» студент в ответ гудит: «У-у-у!». Звук такой действительно имеет место, обусловлен же он тем, что при наведении индукционного поля возникает магнитно-стрикционный эффект, заставляющий пластины магнитопровода вибрировать.

Однофазный трансформатор предназначен для создания переменного напряжения нужной величины для нагрузки, не нуждающейся в трехфазном электропитании.

Любой трансформатор состоит из двух основных узлов: сердечника и катушек, их бывает не менее двух. Принцип работы простой. В результате прохождения электрического тока по проводнику в первичной обмотке, на вторичную наводится электродвижущая сила (ЭДС). Сердечник состоит из пластин ферромагнетика, то есть материала, способствующего усилению магнитного поля (электротехническая сталь специальных марок).

Величина ЭДС определяется по формуле:

Е = 4,44 х Ф х f х ω

где:

Ф – амплитуда магнитного потока;

f – частота тока;

ω – число витков в обмотке.

Допустимая мощность нагрузки, которую «потянет» однофазный трансформатор, задается сечением провода, которым намотаны катушки, и добротностью магнитопровода, в частности магнитной проницаемостью ферромагнетика µ. Размеры сердечника и число витков являются предметом расчета, который часто становится темой курсовой работы в технических ВУЗах.

В любом случае, чем мощнее однофазные трансформаторы напряжения, тем внушительнее их размеры. На их корпусе чаще всего есть ярлык с перечислением основных параметров (допустимого тока входного и выходного напряжений). Однако так бывает не всегда.

На практике многие ремонтники часто сталкиваются с необходимостью заменить сгоревший однофазный трансформатор напряжения. Для того чтобы убедиться в пригодности, следует изучить характеристики устройства, предназначенного для замены.

Первое, что следует сделать, это определить входную обмотку. У понижающих трансформаторов она имеет наибольшее сопротивление.

Затем, включив его в сеть, можно измерить выходное напряжение в режиме холостого хода. Отношение входного и выходного ЭДС составляет коэффициент трансформации K. Он также равен дроби N вх./N вых., то есть числу витков в обмотках.

После этого можно в качестве нагрузки подсоединить мощное переменное сопротивление (реостат) и снять вольт-амперную характеристику, определив величину номинального тока. По мере роста нагрузки выходное напряжение постепенно падает.

Трансформаторы бывают не только силовыми, но и измерительными. В тех случаях, когда нужно определять значительную величину тока в цепи, используют амперметр. Он включается последовательно, и должен иметь низкое сопротивление в сочетании с большим сечением провода в магнитной отклоняющей системе. Такой прибор был бы слишком массивным и дорогим, поэтому используют однофазные трансформаторы тока, снимающие пропорционально уменьшенные значения, и подающие их на обычные серийные амперметры. Вычислить ампераж несложно, остается лишь применить указанные на корпусе множители.

fb.ru

Трехфазные и однофазные трансформаторы: устройство, принцип работы, виды

Преобразование трёхфазной системы напряжения можно реализовать с помощью трёх однофазных трансформаторов. Но при этом будет использован аппарат значительного веса и внушительных размеров. Трехфазный трансформатор лишён этих недостатков, так как его обмотки располагаются на стержнях общего магнитопровода. Поэтому в сетях мощностью до 60 тыс. кВА его применение является оптимальным вариантом.

Назначение трёхфазного трансформатора

Главной функцией трансформаторов является передача электроэнергии на большие дистанции. Электрическая энергия переменного тока вырабатывается на электростанциях. При передаче электроэнергии появляются потери на нагревание проводов. Их можно уменьшить, снизив силу тока. Для этого необходимо увеличить напряжение таким образом, чтобы его значение находилось в диапазоне от 6 до 500 кВ.

Кратность увеличения зависит от значения передаваемой мощности и расстояния до конечного пункта. Мощность, которая при этом передаётся, зависит от двух параметров: напряжения и силы тока. Главной характеристикой, влияющей на изменение потерь проводов, связанных с нагревом, является значение силы тока. Соответственно для того, чтобы снизить потери на нагревание, необходимо уменьшить силу тока. Уменьшая ток, величину напряжения соответственно нужно увеличивать. Тогда значение мощности, которая передаётся, останется неизменным.

После того как напряжение будет доставлено потребителям, его следует снизить до необходимой величины. Соответственно, основной задачей трёхфазных трансформаторов является повышение напряжения перед передачей электроэнергии и понижение после неё.

Определение и виды прибора

Трехфазный трансформатор — это статический аппарат с тремя парами обмоток. Прибор предназначен для преобразования напряжения при передаче мощности на значительные дистанции.

Классификация по количеству фаз:

  • однофазные;
  • трехфазные.

Однофазные трансформаторы имеют небольшую мощность. Основными областями их применения являются быт и проведение работ специального назначения (сварка, измерения, испытания).

Диапазон мощности трёхфазных трансформаторов варьируется в больших пределах. Поэтому и область их применения весьма разнообразна:

  • для питания токоприёмников специального назначения;
  • для присоединения измерительных приборов;
  • для изменения значения напряжения при испытаниях;
  • для увеличения или уменьшения напряжения при подключении освещения или силовой нагрузки.

Принцип действия

Основой трёхфазного трансформатора являются магнитопровод и обмотки. В каждой фазе присутствует своя повышающая и понижающая обмотка. Так как фаз три, соответственно обмоток шесть. Между собой они не соединены.

Принцип работы трёхфазного трансформатора, как и однофазного, базируется на законе электромагнитной индукции. При подключении к сети первичной обмотки, в ней начинает протекать переменный ток. Из-за него в сердечнике магнитопровода из стали появляется основной магнитный поток, который охватывает обмотки в каждой фазе. В каждом витке появляется одинаковая по значению и величине электродвижущая сила.

Если количество витков вторичной обмотки меньше, нежели число витков первичной, то на выходе окажется напряжение меньшего значения, чем на входе и наоборот.

Тот факт, что значение электродвижущей силы зависит лишь от количества витков определённой обмотки, подтверждают формулы:

E 1 = 4, 44f 1 Ф W 1

E 2 = 4, 44 f 1 Ф W 2

E 1, Е 2 — значение электродвижущей силы в первичной и вторичной обмотках соответственно, В;

f 1 — частота тока в сети, Гц;

Ф — максимальное значение основного магнитного потока, Вб;

W 1, W 2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках соответственно.

Строение трансформатора

Основными частями преобразователя напряжения являются:

  • магнитопровод;
  • обмотки высокого и низкого напряжения;
  • бак;
  • вводы и выводы.

К дополнительной аппаратуре относятся:

  • расширительный бак;
  • выхлопная труба;
  • пробивной предохранитель;
  • приборы для контроля и сигнализации.

Магнитопровод необходим для крепления всех частей аппарата. Он является своеобразным скелетом преобразователя напряжения. Второй его задачей является создание направление движения для основного магнитного потока. В зависимости от особенностей крепления обмоток к сердечнику, магнитопровод трансформатора может быть трёх видов:

  • бронестержневой;
  • броневой;
  • стержневой.

Для изготовления обмоток трансформаторов небольшой мощности используют провод из меди, имеющий прямоугольное или круглое сечение.

Трансформаторное масло является очень важным элементом в аппарате. В маломощных трансформаторах (сухих) его не применяют. При средней и высокой мощности его использование обязательно. У трансформаторного масла две основные задачи:

  • охлаждение обмоток, нагревающихся вследствие протекания по ним тока;
  • повышение изоляции.

Расширительный бак устанавливают в трансформаторах с обмоткой высокого напряжения более 6 кВ и мощностью аппарата выше 75 кВА. Отбирая теплоту у обмоток, трансформаторное масло постепенно нагревается и расширяется. Его излишек попадает в расширительный бак. Функцией расширителя является защита масла от окисления и увлажнения.

В высокомощных трансформаторах трубопровод расширителя снабжён газовым реле и краном, который отсоединяет расширитель от бака в случае необходимости.

Вводы и выводы нужны для присоединения концов обмоток к линиям электропередачи. Находятся они на крышке бака. Представляют собой стеклянный или фарфоровый изолятор с токопроводящим медным стержнем внутри. К вводам прикрепляют первичную, а к выводам — вторичную обмотку.

На крышке бака расположен переключатель напряжения (анцапфа). С помощью этого устройства можно изменять число подключённых витков обмоток единовременно по трём фазам. Эта манипуляция позволяет повышать или понижать выходное напряжение при необходимости.

Функция выхлопной трубы состоит в предотвращении повреждения бака при возникновении аварийных режимов. В случае пробоя, короткого замыкания, масло стремительно нагревается, и появляются газы. Благодаря наличию выхлопной трубы, бак при значительном давлении не разрывается, а повреждается всего лишь стеклянная мембрана в трубе. При этом масло и газы попадают наружу.

Пробивной предохранитель устанавливают рядом с вводами и выводами. Его цель состоит в защите низковольтных сетей от появления в них высокого напряжения.

Термометрический сигнализатор необходим для контроля над уровнем температуры трансформаторного масла, а также для подачи сигнала при перегреве.

Схемы и группы соединения обмоток

В трёхфазных трансформаторах необходимо соединять между собой первичные обмотки по фазам и вторичные. Существует три схемы соединения:

  • звезда;
  • треугольник;
  • зигзаг.

При соединении обмоток звездой напряжение линейное — между началами фаз — будет в 1,73 раза больше, чем фазное (между началом и концом фазы). При соединении обмоток трансформатора треугольником фазное и линейное напряжения будут одинаковы.

Соединять обмотки звездой более выгодно при высоких напряжениях, а треугольником — при значительных токах. Соединение обмоток зигзагом даёт возможность сгладить асимметрию намагничивающих токов. Но недостатком такого способа соединения является повышенная трата обмоточного материала.

Группа соединения обмоток показывает отставание вектора электродвижущей силы понижающей обмотки от вектора э. д. с. повышающей обмотки. Обозначают группу соединения рядом чисел от 0 до 11.

Потери и коэффициент полезного действия

Трансформатор — вид электрической машины с минимальным количеством потерь. Их число ничтожно мало и составляет 1—2%.

Электрические потери идут на нагревание обмоток аппарата и колеблются прямо пропорционально изменению нагрузки. Магнитные потери появляются из-за перемагничивания сердечника магнитопровода и зависят лишь от значения напряжения, которое подводится к первичной обмотке. Поэтому подключение трансформатора на повышенное напряжение приводит к увеличению магнитных потерь.

Коэффициент полезного действия (КПД) электрической машины являет собой отношение полезной мощности на выходе электрической машины к подводимой на входе. КПД трансформатора принимает максимальное значение при загрузке аппарата на 45—65%.

Трансформаторы специального назначения

Преобразователи напряжения, которые не предназначены для питания осветительной и силовой нагрузки, относятся к специальным трансформаторам. Они бывают нескольких видов: измерительные, сварочные, автотрансформаторы.

Измерительные преобразователи напряжения

Измерительные трансформаторы применяются для включения приборов измерения в цепи высокого напряжения. Их использование позволяет:

  • расширить границы измерения установок переменного тока;
  • увеличить защиту лиц, обслуживающих аппараты;
  • применять для измерения приборы небольшого размера и веса.

Подразделяются на трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.

Первичная обмотка измерительных трансформаторов подключается в сеть, а к вторичной присоединяются приборы измерения.

Сварочное оборудование

Сварочные трансформаторы снижают напряжение сети (220 В или 380 В) до необходимого 60—70 В. Невысокое напряжение при сварке обеспечивает безопасность лицам, проводящим сварку. Понижение значения напряжения меньше 60 В недопустимо ввиду того, что дуга может попросту не зажечься.

Сварочные трансформаторы не боятся коротких замыканий, так как при этом режиме работы сила тока длительное время удерживается в пределах допустимых значений.

Автотрансформатор с плавным регулированием напряжения

В машинных залах для запуска двигателей большой мощности, а также в лабораториях при проведении различного рода испытаний используются автотрансформаторы.

Основная отличительная черта автотрансформаторов — наличие электрического соединения между первичной и вторичной обмотками. В понижающих автотрансформаторах этот факт является недостатком, так как при недостаточном соблюдении техники безопасности, при аварийном режиме, поломке прибора, жизнь и здоровье обслуживающего персонала может оказаться под угрозой.

Параллельная работа

Для надёжной работы большого количества токоприёмников недостаточно одного силового трансформатора. Поэтому на подстанциях в работу подключено несколько преобразователей напряжения. Присоединение трансформаторов к группе одних и тех же потребителей, называется параллельной работой. Включать любые преобразователи напряжения на параллельную работу нельзя. Необходимо, чтобы выполнялись некоторые особые требования.

Изобретение трансформатора дало шанс переменному току прочно войти в развитие промышленности и занять своё место в быту и сельском хозяйстве.


220v.guru

Однофазный трансформатор. Принципы работы. Основные параметры

Устройство, состоящее из двух или нескольких индуктивно связанных катушек, называется трансформатором.

Трансформатор — это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Наибольшее распространение получили однофазные и трехфазные трансформаторы.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Простейший однофазный трансформатор состоит из двух катушек, расположенных на ферромагнитном сердечнике. (рис. 3.3.1)

рис. 3.3.1

Обмотка, к которой подключен источник энергии, называется первичной, а обмотка, к которой подключается нагрузка, называется вторичной.

При подключении первичной катушки к источнику переменного тока по ней потечет ток I1, который создает магнитный поток ф. Часть этого потока пересекает витки вторичной катушки, индуцируя в ней ЭДС взаимной индукции. Так как вторичная катушка замкнута на нагрузку, то по вторичной цепи потечет ток I2.

Таким образом, энергия от источника за счет магнитной связи между катушками передается в нагрузку.

Основными параметрами трансформатора являются: коэффициент трансформации, коэффициент полезного действия и мощность потерь.

Коэффициентом трансформации называется отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки.

Если , то трансформатор называется понижающим (U1 U2), а если n 1 — то повышающим.

U2 — напряжение на первичной обмотке;

U2 — напряжение на вторичной обмотке;

W1 – число витков первичной катушки;

W2 — число витков вторичной катушки

 

Коэффициент полезного действия (КПД) называется отношение полезной мощности, выделяемой в нагрузке, к затраченной мощности, потребляемой от источника, выраженное в процентах.

Р1 – полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

Р2 – затраченная мощность, потребляемая от источника;

Рсм = Рчистер + Рвихр.токи

Рм1 – мощность тепловых потерь в первичной катушке;

Рм2 — мощность потерь во вторичной катушке;

Рсм – мощность потерь в сердечнике, обусловленная потерями на гистерезис и вихревые токи.

Общие потери – это разность мощностей источника и потребителя энергии.

в понижающем трансформаторе

в повышающем трансформаторе

При расчете трансформаторов и аппаратуры с их использованием применяют схему замещения приведенного «трансформатора», в которой элементы электрической схемы учитывают физические процессы, происходящие в реальном трансформаторе.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется трансформатором?

2. На чем основан принцип действия трансформатора?

3. Приведите схему однофазного трансформатора?

4. Что называется коэффициентом трансформации?

5. Какой трансформатор называется понижающим, а какой – повышающим?

6. Как определяется КПД трансформатора?

7. Из чего складываются потери трансформатора?

 

 

Тема №2: Электрические машины [Яцкевич]

Устройство и принцип действия машин постоянного тока.

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: подвижной и неподвижной. Неподвижная часть — индуктор представляет собой электромагнит, имеющий одну или несколько пар полюсов. Он состоит из станины, полюсов и обмоток возбуждения, расположенных на полюсах. Под действием постоянного тока, протекающего по обмоткам возбуждения, полюса намагничиваются. Таким образом, создается магнитный поток машины.

Вращающаяся часть машины — якорь состоит из вала, сердечника и обмотки якоря, соединенной с коллектором. Якорная обмотка через коллекторные пластины и прилегающие к ним контактные щетки соединяется с внешней электрической цепью.

Когда якорь генератора вращается каким-либо двигателем, в обмотке якоря, пересекающей магнитный поток полюсов, индуктируется э.д.с. Начальный ток возбуждения в параллельной обмотке возникает под действием небольшой э.д.с., которая индуктируется за счет остаточного магнитного потока, после чего происходит «самовоз­буждение» генератора.

 

Похожие статьи:

poznayka.org

K00K20ER

1.
Однофазный трансформатор: назначение
и область применения.

2.
Однофазный трансформатор: устройство,
принцип действия, коэффициент
трансформации.

3.
Уравнения электрического и магнитного
состояний трансформатора.

1.
Однофазный трансформатор: назначение
и область применения.

Трансформатором
называется статический электромагнитный
аппарат, предназначенный для преобразования
электрической энергии переменного
тока одного напряжения в электрическую
энергию переменного тока другого
напряжения той же частоты.

Назначение
трансформатора отражено в его определении.

Трансформаторы
находят очень широкое применение в
электрических сетях, являясь неотъемлемой
частью энергосистемы. Передача
электрической энергии по линиям
электропередач осуществляется при
высоких напряжениях — до 500 кВ и выше (до
1150 кВ), т.к. при этом для передачи той же
мощности требуется меньший ток, а это
ведет к снижению потерь в проводах.
Поэтому на подстанциях с помощью
трансформаторов на передающей стороне
повышают напряжение, а на приемной
снижают. Такие трансформаторы называются
силовыми. Кроме того существуют
измерительные трансформаторы, сварочные
и др. В электронных устройствах
трансформаторы часто используют для
гальванического разделения цепей.

Трансформаторы
также относятся к электрическим машинам,
хотя в прямом смысле они не относятся
(не имеют движущихся частей). Однако
основные соотношения между величинами,
характеризующими рабочий процесс
трансформатора, применимы и к электрическим
машинам.

2.
Однофазный трансформатор: устройство,
принцип действия,


коэффициент трансформации
.

Рассмотрим
устройство трансформатора:

На
замкнутом магнитопроводе, выполненном
из магнитомягкой листовой стали,
расположены две (или более) катушки
(обмотки). К одной из обмоток подводится
электрическая энергия от источника
переменного тока. Эта обмотка называется
первичной. От другой, вторичной, обмотки
с числом витков W2 энергия отводится к
приемнику. Все величины, относящиеся
к этим обмоткам (токи, напряжения,
мощности и т.п.) называются соответственно
первичными или вторичными.

Под
действием переменного напряжения U1,
подведенного к первичной обмотке, в ней
возникает ток I1,
а в сердечнике возбуждается соответственно
изменяющийся магнитный поток Ф. Этот
поток пересекает витки

обеих
обмоток трансформатора и индуктирует
в них ЭДС:

;

В
каждый момент времени отношение этих
ЭДС пропорционально отношению количества
витков обмоток:

Если
цепь вторичной обмотки замкнута, то
под действием ЭДС Е2

возникает
ток I2.

При
синусоидальном изменении напряжения
питания U1
с частотой f
поток в магнитопроводе Ф
оказывается практически синусоидальным.
Действующие значения ЭДС в обмотках
можем найти по формуле:

E1
= 4,44 W1
f Фm;

E2
= 4,44 W2
f Фm.

Отношение
этих ЭДС

принято
называть коэффициентом трансформации.
Приближенно можно принять, что ЭДС
обмоток равны напряжениям на их зажимах,
т.е.

Полученное
равенство характеризует основное
назначение трансформатора — преобразование
одного напряжения в другое, большее или
меньшее.

Цепи
высшего и низшего напряжения электрически
изолированы друг от друга и связаны
лишь магнитным потоком, замыкающимся
в сердечнике трансформатора. Преобразование
электрической энергии в трансформаторе
сопровождается весьма малыми потерями
энергии: величина КПД при номинальной
нагрузке изменяется в пределах 0,96 —
0,996 в зависимости от мощности трансформатора.
Этим объясняется исключительно большое
распространение трансформаторов в
современной технике.

Однофазный
трансформатор с ферромагнитным
сердечником был предложен выдающимся
русским изобретателем П.Н.Яблочковым
в 1876 г.

3.
Уравнения электрического и магнитного
состояний

трансформатора.

Представим
трансформатор в упрощенном виде.
Пренебрежем потоками рассеяния и
активным сопротивлением обмоток:

Фs1
= 0; Ф
s2
= 0; R
1
= 0; R
2
= 0.

Такой
трансформатор называется идеальным
трансформатором.

Для
идеального трансформатора по второму
закону Кирхгофа можно записать
уравнения электрического состояния
обмоток:

;

Согласно
закону электромагнитной индукции можно
записать:

где

— потокосцепление, = Li.

Возьмем
отношение:

Это
уравнение отражает важнейшее свойство
идеализированного трансформатора
преобразовывать
напряжение без искажения формы.

Так
как на W1
подается переменное напряжение, то

Выразим
«е»
через «Ф«:

так
как

Получили
амплитудное значение ЭДС:

Найдем
действующее значение ЭДС:

По
аналогии для вторичной обмотки:

Эти
уравнения для идеализированного
трансформатора используются при анализе
электрических процессов в трансформаторе.

Теперь
учтем наличие потоков рассеяния Фs1 и
Фs2 и активное сопротивление обмоток
R1 и R2. Запишем с учетом этих величин
уравнение по второму закону Кирхгофа
для первичной и вторичной обмоток
трансформа-

тора:

Параметр

представляет собой падение напряжения
на индуктивности и в комплексной форме
записывается как j
X1
I1.

Перейдем
к комплексным значениям параметров:

U1
= —
E1
+ j X
1
I1
+ R
1
I1
= —
E1
+
I1
(R
1
+ j X
1)
= —
E1
+
I1
Z1

Получили
уравнение электрического состояния
первичной обмотки

трансформатора
в комплексной форме.

Для
вторичной обмотки

Получили
уравнение электрического состояния
для вторичной обмотки трансформатора.

Трансформатор
— электромагнитное устройство. Для него
справедлив закон полного тока:

где
Н
— напряженность магнитного поля,

lср
— длина средней магнитной линии сердечника.

Рассмотрим
2 режима работы: холостой ход и режим
номинальной нагрузки.

Для
холостого хода:

Для
номинальной нагрузки:

Правые
части уравнений неизменны, поэтому
приравниваем между собой левые части:

Поделим
каждый член на
W
1
и частично преобразуем

,

где
I10
— ток холостого хода или намагничивающий
ток,


приведенный ток вторичной обмотки.

Знак
» — » в уравнении отражает
размагничивающее действие тока
I2.

Таким
образом, ток первичной обмотки можно
представить как сумму двух токов:
приведенный ток вторичной обмотки I2|
плюс намагничивающий ток I10.

Еслт
сердечник идеален, то

I10
= 0

и 0 = I1
W
1
+
I2
W
2

Таким
образом, трансформация тока осуществляется
без искажения формы:

studfiles.net

однофазный трансформатор | Электрознайка. Домашний Электромастер.

   В домашнем хозяйстве бывает необходимо оборудовать освещение в сырых помещениях: подвале или погребе и т.д. Эти помещения имеют повышенную степень опасности поражения электичческим током.
В этих  случаях  следует пользоваться электрооборудованием рассчитанным на пониженное напряжение питания, не более 42 вольт.

    Можно пользоваться электрическим фонарем с батарейным питанием или воспользоваться понижающим трансформатором с 220 вольт на 36 вольт.
    Рассчитаем и изготовим однофазный  силовой трансформатор 220/36 вольт, с выходным напряжением 36 вольт с питанием от электрической сети переменного тока напряжением 220 вольт.

    Для освещения таких помещений подойдет электрическая лампочка на 36 Вольт и мощностью 25 — 60 Ватт. Такие лампочки с  цоколем под обыкновенный электропатрон продаются в магазинах электротоваров.
Если вы найдете лампочку на другую мощнось, например на 40 ватт, нет ничего страшного —  подойдет и она. Просто трансформатор будет выполнен с запасом по мощности.
 

Сделаем упрощенный расчет трансформатора 220/36 вольт.

   Мощность во вторичной цепи: Р_2 = U_2 · I_2 = 60 ватт 

Где:
Р_2 – мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 ватт;

U_2 — напряжение на выходе трансформатора, нами задано 36 вольт;

I_2 — ток во вторичной цепи, в нагрузке.

КПД  трансформатора  мощностью до 100 ватт обычно равно не более  η = 0,8.
КПД определяет, какая часть мощности потребляемой от сети идет в нагрузку. Оставшаяся часть идет на нагрев проводов и сердечника. Эта мощность безвозвратно теряется.

Определим мощность потребляемую трансформатором  от сети с учетом потерь:

Р_1 = Р_2 /  η  = 60 / 0,8 = 75 ватт.

   Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе. Поэтому от значения   Р_1,   мощности потребляемой от сети 220 вольт,  зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S.

   Магнитопровод – это сердечник  Ш – образной или  О – образной формы, набранный из листов трансформаторной стали. На сердечнике будут располагаться первичная и вторичная обмотки провода. 

   Площадь поперечного сечения  магнитопровода рассчитывается по формуле:

 S = 1,2 · √P_1.  

  Где:
S — площадь в квадратных сантиметрах,

P_1 — мощность первичной сети в ваттах.

 S = 1,2 · √75 = 1,2 · 8,66 = 10,4  см².

По значению   S определяется число витков w на один вольт по формуле:

w = 50/S   

 В нашем случае площадь сечения сердечника равна  S = 10,4 см.кв.

 w = 50/10,4 = 4,8  витка на 1 вольт.

Рассчитаем число витков в первичной и вторичной обмотках.

Число витков в первичной обмотке на 220 вольт:

W1 = U_1 · w = 220 · 4.8 = 1056 витка.

Число витков во вторичной обмотке на 36 вольт:

W2 = U_2 · w = 36 · 4,8 =  172.8 витков,

округляем до 173 витка.

   В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на активном сопротивлении провода вторичной обмотки. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного. Возьмем W2 = 180 витков.

 Величина тока в первичной обмотке трансформатора:

I_1 = P_1/U_1 = 75/220 = 0,34 ампера.

Ток во вторичной обмотке трансформатора:

I_2 = P_2/U_2 = 60/36 = 1,67 ампера.

   Диаметры проводов первичной и вторичной  обмоток определяются по значениям токов в них исходя из допустимой плотности тока, количества ампер на 1 квадратный миллиметр площади проводника. Для трансформаторов плотность тока,  для медного провода, принимается 2 А/мм² . 

   При такой плотности тока диаметр провода без изоляции в миллиметрах определяется по формуле:  d = 0,8√I .

Для первичной обмотки диаметр провода будет:

d_1 = 0,8 · √1_1 = 0,8 · √0,34 = 0,8 · 0,58 = 0,46 мм.     Возьмем 0,5 мм.

Диаметр провода для вторичной обмотки:

d_2 = 0,8 · √1_2 = 0,8 · √1,67 = 0,8 · 1,3 = 1,04 мм.      Возьмем 1,1 мм.

   ЕСЛИ НЕТ ПРОВОДА НУЖНОГО ДИАМЕТРА, то можно взять несколько, соединенных параллельно, более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному одному проводу.

    Площадь поперечного сечения провода определяется по формуле:

s = 0,8 · d².    

где: d — диаметр провода.

   Например: мы не смогли найти провод для вторичной обмотки диаметром 1,1 мм. 

Площадь поперечного сечения провода диаметром 1,1 мм. равна:

s = 0,8 · d² = 0,8 · 1,1² = 0,8 · 1,21 = 0,97  мм².  

Округлим до 1,0 мм².

   Из таблицы выбираем диаметры двух проводов сумма площадей сечения которых равна 1.0 мм².

   Например, это два провода диаметром по   0,8 мм. и площадью по 0,5 мм². 

Или два провода:
 — первый диаметром 1,0 мм. и площадью сечения 0,79 мм²,
— второй диаметром 0,5 мм. и площадью сечения 0,196 мм².
что в сумме дает: 0,79 + 0,196 = 0,986 мм².

   Намотка катушки ведется двумя проводами одновременно, строго выдерживается равное количество витков обоих проводов. Начала этих проводов соединяются между собой. Концы этих проводов также соединяются.

    Получается как бы один провод с суммарным поперечным сечением двух проводов.

 Смотрите статьи:
— «Как намотать трансформатор на Ш-образном сердечнике».
— «Как изготовить каркас для Ш — образного сердечника».

domasniyelektromaster.ru

Однофазный трансформатор

Размещено
на http://www.allbest.ru/

Лабораторная
работа №1

Тема:
«Исследование однофазного трансформатора.»

Цель:
Научиться определять параметры
трансформатора в различных режимах его
работы.

Оборудование:

1.
Стенд СИПЭМ (трансформатор, сопротивление
1000 Ом на стенде, амперметры и вольтметры).

2.
Ваттметры — 2 шт.

ХОД
РАБОТЫ.

1.
Построение схем.

В
опыте холостого хода нагрузка была
отключена.

В
опыте короткого замыкания цепь первичной
обмотки была включена на выход ЛАТРа,
а нагрузка была соединена накоротко.

2.
Таблицы измерений.

Для
опыта холостого хода:

Измерения

Вычисления

U1ном,
В

I0,
А

Р10,
Вт

U20,
В

Z0,
Ом

Х0,
Ом

R0,
Ом

L,
Гн

сos
ф0

К

i0,
%

P0,
Вт

220

0.05

5

180

4400

4299.9

0.0005

1.4

1

0.(81)

100

11

Формулы
расчётов:

Z0
=
U0/I0 R0
=
P0/(I0)2 X0
=
Sqrt((Z0)2
– R0) L
= X0/2fп K
= U20/U10 cos
ф0
=
R0/Z0

i0
=
(I0/I1ном)*100 P0
=
U1ном*I0*Cos
ф0

Для
опыта короткого замыкания:


п/п

Измерения

Вычисления

U1кз,
В

I1кз,
А

I2кз,
А

Р1кз,
Вт

Zкз,
Ом

Хкз,
Ом

Rкз,
Ом

uкз,
%

сos
фкз

Р`кз,
Вт

u`кз,
%

1

24

0.38

0.5

4

63.15

27.7

56.75

10.(90)

0.43

4.8

12.98

Формулы
расчётов:

u0
=
(Uкз/Uном)*100 cos
фкз
=
P1кз/I1кз*U1кз

Zкз
=
U1кз/I1кз

Rкз
=
P1кз/(I1кз)2

Xкз
=
Sqrt((Zкз)2
– Rкз)

В
следующих двух формулах будет
использоваться следующая конструкция:

1
+ а(О2
— О1),
где a — температурный коэффициент
расширения металла, равный 0.04, а О2
— О1

разность рабочей температуры трансформатора
(75ос) и температуры в аудитории(25ос).

Так
как все значения известны, то 1 + а(О2
— О1)
= 1.2

Р`кз
=
1.2*Р1кз

u`кз
=
(Sqrt((1.2*U1кз)2
– U1кз*(1
— сos фкз))/U1ном)*100

Характеристики
построены не будут, так как был проведён
лишь один опыт, соответственно график
является точкой.

Для
опыта с нагрузкой.


п/п

Измерения

Вычисления

U1,
В

I1,
А

Р1,
Вт

U2,
В

I2,
А

Р2,
Вт

Рпотерь,
Вт

сos
ф2

1

220

0.17

15

173

0.17

11

14

0.37

2

220

0.22

20

170

0.24

16

16

0.39

3

220

0.3

27

164

0.35

23

23

0.4

4

220

0.36

32

160

0.42

27

27

0.4

5

220

0.41

36

159

0.5

31

31

0.39

Формулы
расчётов:

cos
ф2
=
P2/I2*U2 Pпотерь
=
U2*I2*сos
ф2

Таблица
значений графика для внешней характеристики:

B

сos
ф2
=
1

сos
ф2
=
0.8(инд.)

сos
ф2
=
0.8(ёмк)

dt
U, %

U2,
В

dt
U, %

U2,
В

dt
U, %

U2,
В

0.34

1.69

177

3.34

174

-3.34

186

0.48

2.25

175.95

4.71

172.5

-4.71

188.49

0.7

3.28

174

6.88

167

-6.88

192

0.84

3.92

173

8.25

165

-8.25

194

1

4.68

172.56

9.83

162.8

-9.83

197.7

Формулы
расчётов:

B
= 2*I2

U2
= U20*(1
— 0.01*dt U)

dt
U = B*u`кз*(0.43*сos
ф2
– 0.9*sin ф2)

Таблица
параметров для построения зависимости
КПД трансформатора от нагрузки:

B

0.34

0.48

0.7

0.84

1

n

сos
ф2
=
1

0.69

0.74

0.78

0.79

0.8

сos
ф2
=
0.8

0.64

0.7

0.74

0.75

0.76

Формулы
расчётов:

n
= 1 — (Р0

B2*Ркз)/(B*Sном*сos
ф2
+
Р0
+
B2*Ркз) B`
= Sqrt(Рном/Р1кз)
= 1.2

3.
Построения графиков характеристик.

А
— внешняя характеристика.

Б
— характеристика зависимости КПД
трансформатора от нагрузки.

трансформатор
нагрузка обмотка замыкание

4.
Анализ характеристик.

Внешняя
характеристика показывает величину
колебаний — как положительных, так и
отрицательных, в зависимости от изменения
нагрузки во вторичной цепи. Индуктивный
характер снижает напряжение, а ёмкостной
— повышает. Активная — снижает, однако
производная графика её не так мала, как
у индуктивной.

Из
графика зависимости КПД трансформатора
от нагрузки следует, что КПД трансформатора
повышается с устремлением нагрузки к
такому значению, что электрические
потери в трансформаторе становятся
равными магнитным потерям и достигает
максимального значения при их равенстве.

5.
Выводы по работе.

Я
овладел навыками измерения параметров
трансформатора в его трёх режимах,
подтвердил теоретические познания
практическими, а также построил два
графика: внешней характеристики и
зависимости КПД от нагрузки.

6.
Ответы на вопросы:

А)
Устройство и принцип действия
трансформатора.

Трансформатор
— это электротехническое устройство,
служащее для преобразования переменного
тока одной частоты, в таковой другой
частоты с такой же частотой.

Он
состоит из >=2 обмоток,
расположенных на стержнях, соединёнными
ярмом — это есть магнитопровод.

Для
описания принципа действия я буду
использовать однофазный двухобмоточный
трансформатор.

Первичная
обмотка, подключённая к источнику
напряжения u1,
создаёт ток i1,
который
создаёт в магнитопроводе переменный
магнитный поток Ф0,
что
пересекает витки первичной и вторичной
обмотки, создавая в них е1
и
е2.
Под действием е2
во
вторичной обмотке, замкнутой на нагрузку
Z, наводится i2,
с таким же направлением, как и у е2.

Б)
Что такое коэффициент трансформации и
как определить его опытным путём?

Коэффициент
трансформации, опытным путём, определяется
как частное напряжений второй и первой
обмоток.

В)
Почему мощность х.х. определяют как
магнитные потери, а мощность к.з. — за
электрические?

В
режиме короткого замыкания отсутствует
основной магнитный поток — а соответственно
магнитные потери ничтожны, следовательно
можно определить электрические потери.
В режиме холостого хода основной
магнитный поток создаётся только МДС
первичной обмотки, соответственно можно
успешно определить чистые магнитные
потери.

Г)
Почему при опыте к.з. ток в первичной
обмотке достигает номинального значения,
хотя напряжение в несколько раз меньше
номинального?

Суть
режима короткого замыкания такова, что
замкнутая накоротко обмотка имеет
сопротивление, стремящееся к нулю;
соответственно и ток стремится к
бесконечности — исходит из закона Ома.
К счастью, технические ограничения
конструкции трансформатора устанавливают
предел тока короткого замыкания.

Д)
Почему при нагрузке B > B` КПД трансформатора
уменьшается?

Неравенство
электрических и магнитных потерь
начинает состояться тогда.

Е)
Что определяется по значению напряжения
к.з., когда учитывается?

Его
процент от номинального напряжения —
данный показатель позволяет судить об
исправности трансформатора.

Ё)
Зачем полученные значения опыта к.з.
приводят к рабочей температуре?

Известно,
что в режиме короткого замыкания ток
имеет динамическое действие, т.е.
трансформатор может взорваться, обмотки
вылететь, а люди умереть. Соответственное
действие протекает при соответственных
электрических параметрах. А при рабочей
температуре эти параметры выше.
Производится предварительный расчёт,
позволяющий предсказать протекание
таких процессов при определённых
значениях.

Размещено
на Allbest.ru

studfiles.net