[Adsense_id = "1"]
Переважне використання в електричних пристроях отримали силові трансформатори. перетворюють напругу змінного струму при незмінній частоті. Трансформатори перетворення не тільки напруги змінного струму, але і для частоти, кількості фаз і т.д. називають трансформаторними пристроями спеціального призначення.
Силові трансформатори широко використовуються в енергосистемах при передачі електроенергії від електростанції до споживачів, а також в різних електроустановках достатній для присвоєння напруги необхідної величини.
У цьому розділі розглядаються силові трансформатори (для скорочення ми їх будемо називати трансформаторами) невеликої потужності (не більше декількох кіловольт-ампер), які отримали найбільше застосування в блоках електроживлення пристроїв автоматики, обчислювальної техніки, в вимірювальних приладах, зв'язку.
Трансформатори діляться, в залежності від:
- Кількості фаз перетворювальної напруги на однофазні та багатофазні (як правило трифазні);
- Кількості обмоток, що належать одній фазі трансформує напруги на двохобмоточні і багатообмоточні;
- Методу охолодження, на сухі (з повітряним охолодженням) і масляні (занурені в металевий обсяг, заповнений трансформаторним маслом).
Рис.2.1.1. Електромагнітна схема однофазного двохобмоточного трансформатора
Розглянемо однофазний двох обмотувальний трансформатор. Його принцип дії заснований на явищі електромагнітної індукції. Однофазний двох обмотувальний трансформатор складається з замкнутого магнітопровода і двох обмоток. Одна з обмоток - первинна - підключається до джерела змінного струму з напругою U 1 і частотою f (рис.2.1.1). Змінний струм, що проходить по витків цієї обмотки, створює МРС, яка призводить в муздрамтеатрі трансформатора змінний магнітний потік Ф. Замкнувшись в муздрамтеатрі, цей потік зчіплюється з витками обмоток трансформатора і індукується відповідно в первинної w 1 і вторинної w 2 обмотках ЕРС:
е 1 = w 1 dФ / dt; (2.1.1)
е 2 = w 2 dФ / dt. (2.1.2)
Якщо магнітний потік трансформатора - синусоїдальна функція часу Ф = Ф max sinwt, що змінюється з кутовою частотою w = 2pf, то після підстановки його в (2.1.1) і (2.1.2), диференціювання і перетворення, отримаємо справжнє значення ЕРС первинної і вторинної обмоток:
Е 1 = 4,44 fw 1 Ф max; (2.1.3)
Е 2 = 4,44 fw 2 Ф max. (2.1.4)
У режимі холостого ходу трансформатора, коли струм у вторинній обмотці відсутня (обмотка розімкнути), напруга на висновках вторинної обмотки дорівнює ЕРС вторинної обмотки Е 2 = U 20, а ЕРС первинної обмотки настільки незначно відрізняється від первинного напруги, що цією різницею можна знехтувати: Е 1 »U 1.
[Adsense_id = "1"]
Ставлення ЕРС обмотки вищої напруги (ВН) до ЕРС обмотки низької напруги (НН) називають коефіцієнтом трансформації k. Для режиму холостого ходу трансформатора відношення зазначених ЕРС практично дорівнює відношенню напруг:
k = Е 1 / Е 2 = w 1 / w 2 »U 1 / U 20. (2.1.5)
Якщо w 2w 1 і U 2> U 1, то трансформатор називається що підвищує. Один і той же трансформатор в залежності від того, до якої з обмоток підводиться напруга, може бути знижувальним або підвищує.
Якщо на висновки вторинної обмотки трансформатора підключити навантаження опором Z н, то в обмотці з'явиться струм навантаження I 2. При цьому потужність на виході трансформатора визначається твором вторинної напруги U 2 на струм навантаження I 2. З деяким наближенням можна прийняти потужність на вході і виході трансформатора однаковими, тобто U 1 I 1 »U 2 I 2. З цього випливає, що відношення струмів в обмотках трансформатора обернено пропорційно відношенню напруг:
I 1 / I 2 »U 2 / U 1" 1 / k. (2.1.6)
Таким чином, струм в обмотці нижчого напруги більше струму в обмотці високої напруги в k раз.
И 1 2 r н ¢ »І 2 r н (2.1.7)
визначимо опір навантаження, виміряний на висновках первинної обмотки:
r н ¢ »r н і 2 2 / I« 1 2 r н k 2, (2.1.8)
тобто він зміниться в k 2 разів у порівнянні з опором r н.
Це властивість трансформаторів використовується в межкаскадних трансформаторах для узгодження вхідного опору будь-якого каскаду (блоку) з вихідним опором попереднього каскаду (блоку).
Трансформатор є апаратом змінного струму.
Якщо первинну обмотку трансформатора включити в мережу постійного струму. то магнітний потік в магнітопроводі цього трансформатора виявиться постійним як за величиною, так і за напрямком, тобто dФ / dt = 0. Такий потік не буде індукувати ЕРС в обмотках трансформатора вимкне передачу електроенергії по первинній мережі у вторинну. Крім цього, відсутність ЕРС в первинній обмотці трансформатора призведе до виникнення в ній струму неприпустимо великий величини, наслідком чого буде вихід з ладу цього трансформатора.
[Adsense_id = "1"]
Трансформатори. Втрати і ККД трансформатора
В процесі роботи трансформатора під навантаженням частина активної потужності Р 1, надходить в первинну обмотку з мережі, розсіюється в трансформаторі на покриття втрат. В результаті активна потужність Р 2, що надходить в навантаження, виявляється менше потужності Р 1 на величину сумарних втрат в трансформаторі å Р:
У трансформаторі існує два види втрат - магнітні та електричні.
Магнітні втрати Р м в сталевому муздрамтеатрі, за яким замикається магнітний потік Ф max. Складаються з витрат на гізтерезіс Р г, вихрові струми Р вх:
Р г = Р г + Р вх. (2.1.23)
Магнітні втрати прямо пропорційні масі муздрамтеатру і квадрату магнітної індукції в ньому. Вони також залежать від властивостей стали, з якої виготовлений муздрамтеатр. Зменшенню втрат на гізтерезіс сприяє виготовлення муздрамтеатру з феромагнітних матеріалів (електротехнічної сталі), які володіють невеликим коерцетівною силою (вузької петлею гізтерезісу). Для зменшення втрат на вихрові струми магнітопровід виготовляють шіхтованной (з тонких сталевих пластин, ізольованих одна від одної тонким шаром лаку або оксидної плівки) або крученим зі сталевої стрічки. Магнітні втрати залежать також і від частоти змінного струму з підвищенням частоти f магнітні втрати підвищуються за рахунок втрат на гізтерезіс Р г і вихрові струми Р вх.
Раніше було встановлено, що головний магнітний потік в магнітопроводі не залежить від навантаження трансформатора [см. (2.1.17)], тому при змінах навантаження магнітні втрати залишаються практично незмінними.
Електричні втрати - це втрати в обмотках трансформатора обумовлені нагріванням обмоток струмами, що проходять по ним.
Електричні втрати є змінними, так як їх величина пропорційна квадрату струму в обмотках. Електричні втрати при будь-якому струмі навантаження і 2 трансформатора, Вт,
Р е = Р е. Ном b 2, (2.1.25)
де Р е.ном - електричні втрати при номінальному струмі навантаження; b = I 2 / І 2ном - коефіцієнт навантаження, характеризує ступінь навантаження трансформатора.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) трансформатора являє собою відношення активних потужностей на його виході Р 2 і вході Р 1:
h = P 2 / P 1 = P 2 / (P 2 + P м + Р е). (2.1.26)
Активна потужність на виході трансформатора, Вт,
Р 2 = S ном b cos j 2, (2.1.27)
де S ном - номінальна потужність трансформатора, В × А; cos j 2 - коефіцієнт потужності навантаження.
З огляду на (2.1.25), (2.1.26) і (2.1.27), отримаємо формулу ККД трансформатора, зручну для практичних розрахунків:
h = (S ном b сos j 2) / (S ном b сos j 2 + P м + Р е.ном b 2). (2.1.28)
Ріс.2.1.4. Залежність h = f (b) при cosj 2 = 1 (графік 1) і cosj 2
Таким чином, ККД трансформаторів залежить від величини навантаження b і від її характеру соs j 2. Графічно ця залежність показана на ріс.2.1.4. Максимальне значення ККД h max відповідає навантаженню b ¢, при якому електричні втрати рівні магнітним (Р е.ном b ¢ 2 = Р м).
[Adsense_id = "1"]
Номінальне значення ККД h ном тим вище, чим більше номінальна потужність трансформатора S ном.
h ном = 0,70 ¸ 0,85 при S ном £ 100 В × А
h ном = 0,90 ¸ 0,95 при S ном £ 10 k В × А.
У більш потужних трансформаторів ККД може досягати h ном = 0,98 ¸ 0,99.
2.1.5. Дослідження холостого ходу і короткого замикання
Дослідження холостого ходу проводять в наступній послідовності: первинну обмотку включають в джерело на номінальну напругу, а вторинну обмотку залишають розімкнутої. При цьому струм в первинній обмотці I 0, а у вторинній обмотці I 2 = 0 (ріс.2.1.5, а).
Ріс.2.1.5. Схеми включення однофазних трансформаторів при дослідах
холостого ходу (а) і короткого замикання (б)
Амперметр А в первинному ланцюзі дозволяє визначити струм холостого ходу I 0, який прийнято вимірювати в процентах від номінального струму і 1ном в первинній обмотці:
і 0 = (I 0 / I 1ном) 100. (2.1.29)
У трансформаторах великої і середньої потужності і 0 = (2 ¸ 10)%, а в трансформаторах малої потужності (менше 200-300 В × А) може досягати 40% і більше.
Струм холостого ходу I 0 разом з реактивною складовою. яка призводить в муздрамтеатрі головний магнітний потік, має активну складову і 0на, обумовлена магнітними втратами в муздрамтеатрі трансформатора. Використання якісних електротехнічних сталей з невеликими питомими втратами сприяє зменшенню активної складової струму холостого ходу до значення, не перевищує 10%, тобто І 0А £ 0,1 і 0. Результуючий струм холостого ходу, А.
Якщо струм холостого ходу I 0, отриманий дослідним шляхом, набагато перевищує значення, вказане в каталозі на досліджуваний тип трансформатора, то це свідчить про несправність трансформатора: наявність короткозамкнених витків в обмотках, порушення електричної ізоляції між деякими пластинами (смугами) муздрамтеатру.
При дослідженні холостого ходу U 20 = Е 2 і U 1 »E 1, тому, використовуючи показники вольтметрів V 1 і V 2, можна з необхідною точністю визначити коефіцієнт трансформації k = U 1 / U 20.
Ваттметром W в первинному колі трансформатора вимірюють потужність Р 0, використовується трансформатором в режимі холостого ходу. У трансформаторах потужністю 200-300 В × А електричні втрати в первинній обмотці внаслідок невеликої величини струму I 0 невеликі, тому вважаємо потужність холостого ходу дорівнює магнітним втратам, тобто Р 0 = Р м (дів.2.1.4).
Дослідження короткого замикання виконують наступним чином. Вторинну обмотку трансформатора замикають накоротко (ріс.2.1.5, б), а до первинної обмотці підводять знижену напругу короткого замикання U 1 = U до, при якому струм короткого замикання в первинній обмотці дорівнює номінальному значенню, є і 1к = І 1ном. Напруга короткого замикання прийнято виражати у відсотках від номінального напруги U 1ном:
u к = (U к / U 1ном) 100 (2.1.31)
Як правило u к = (5 ¸ 12)%.
Магнітний потік Ф max пропорційний напрузі U 1 [см. (2.1.18)], але, так як напруга короткого замикання не перевищує 5-12% від U 1ном, то для створення головного магнітного потоку при досвіді короткого замикання потрібно настільки мала величина намагнічує струму, що нею можна знехтувати. Виходячи з цього, прийнято вважати магнітні втрати при досвіді короткого замикання дорівнюють нулю, а використовувану потужність короткого замикання Р к рівною потужності електричних втрат трансформатора (дів.2.1.4) при номінальному навантаженні трансформатора (Р к = Р е.ном).
Коефіцієнт потужності при досвіді короткого замикання
cos j к = Р к / (U до І 1ном). (2.1.32)
Таким чином, дослідження холостого ходу і короткого замикання дозволяють експериментально визначити ряд важливих параметрів трансформатора: I 0, Р 0 = Р м, u до, Р к = Р е.ном, використовуючи які за (2.1.28) можна визначити ККД трансформатора.