Изучение однофазного трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Однофазный трансформатор



1. Классификация и область применения.

2. Электромагнитная схема и принцип действия.

3. Полная схема замещения трансформатора:

А). схема замещения первичной обмотки

Б). схема замещения вторичной обмотки

В). Схема замещения магнитной цепи.

4. Экспериментальное определение параметров схемы замещения по опытам холостого хода и короткого замыкания

5. Упрощенная схема замещения и внешняя характеристика

6. Потери мощности и КПД трансформатора.

I. Классификация и область применения.

Трансформатор - преобразователь электрической энергии с одним значением тока и напряжения в электрические энергии с другим значением тока и напряжения.

I1 I2

U1 W1 Трансформаторный W2 U2

Преобразователь

F=const

Работает только на переменном токе при неизменной частоте питания.

Классификация:

1. Силовые трансформаторы.

На энергетических схемах

Назначение трансформаторов - силовые трансформаторы одни из главных в передаче электрической энергии.

2. Разделительные трансформаторы (многообмоточные)

Условные обозначения на электрических схемах \

Предназначен для гальванического разделения электрического питания цепи.

3. Согласующиеся трансформаторы.

4. Специальные трансформаторы

5. Измерительные трансформаторы. Предназначены для расширение пределов измерений показывающие измерительные приборы.

Электрическая схема и принцип действия.

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух обмоток, у которых есть общий магнитопровод и которые электрически изолированы друг от друга.



Обмотки размещаются на магнитопроводе, собранном из листов электротехнической стали (рис. 9.1). Магнитопровод отсутствует лишь в воздушных трансформаторах, которые применяются при частотах около 20 кГц и выше, когда магнитопровод почти не намагничивается из-за увеличения вихревых токов.

Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания, называется первичной, а обмотка, к которой подключается потребитель электроэнергии, называется вторичной. Параметры, относящиеся к первичной обмотке, обозначаются индексом 1, например, , , , относящиеся к вторичной обмотке - обозначают с индексом 2.

Различают однофазные и трехфазные трансформаторы.

На щитке трансформатора указывают его номинальное напряжение, полную мощность, токи, напряжение короткого замыкания, число фаз, частоту, схему соединения, режим работы и способ охлаждения.

В зависимости от напряжения различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН). По способу охлаждения трансформаторы делят на сухие и масляные. На рис. 9.2 показан трехфазный трансформатор масляный с трубчатым баком, где 1 - магнитопровод; 2 - обмотка НН; 3 - обмотка ВН; 4 - выводы обмотки ВН; 5 - выводы обмотки НН; 6 - трубчатый бак; 7 - кран для заполнения маслом; 8 - выхлопная труба для газов; 9 - газовые реле; 10 - расширитель масла; 11 - кран для спуска масла.

Если первичное напряжение больше вторичного , трансформатор называют понижающим, если - повышающим.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Под воздействием переменного тока первичная обмотка создает в магнитопроводе переменный магнитный поток

который пронизывает обмотки и индуктирует в них ЭДС



где - амплитудные значения ЭДС.

Разделив максимальные значения ЭДС на , получим действующее значение ЭДС в обмотках

; .

Из (9.2) и (9.3) следует, что ЭДС обмоток отстают по фазе от магнитного потока на 90°, и пропорциональны числу витков.

Соотношение ЭДС обмоток называется коэффициентом трансформации

.

Если , то вторичная ЭДС меньше первичной и трансформатор называется понижающим, при - трансформатор повышающий.

Применяют и другое определение для коэффициента трансформации: отношение номинального высшего напряжения трансформатора к номинальному низшему напряжению. В этом случае коэффициент трансформации всегда больше единицы: .

Так как во вторичной обмотке индуктируется ЭДС, то при подключении нагрузки к ее выводам в контуре обмотка-нагрузка протекает ток и выделяется электрическая энергия. Таким образом, с помощью магнитной связи поток электрической энергии передается из первичной цепи во вторичную. В этом и состоит принцип работы трансформаторов.

Заметим, что положительные направления напряжения на рис. 9.1 показаны стрелкой от точки с высшим потенциалом к точке с низшим потенциалом, первичная обмотка рассматривается как приемник, вторичная - как источник электрической энергии.

Полная схема замещения трансформатора.

А) схема замещения первичной обмотки.

R1 моделирует нагрев катушки протекающим током xp1, моделирует наличие магнитопотока рассеивания Фр1

Б) Схема замещения вторичной обмотки

параметры моделируют те же процессы.

В) схема замещения магнитной цепи.

Из-за потерь на гистерезисе и на вихревых токах, магнитный поток отстаёт от создающего его тока на угол у магнитных потерь.

Для создания единой электрической схемы замещения прибегают к искусственному моменту: заменяют ЭДС Е2 между А' и B' на ЭДС E'2=E1.

Формула приведения E'2=E1 .

Полученная схема замещения должна быть эквивалентна по мощности потребляемого питания реальному трансформатору.

В общей схеме замещения R0 моделирует нагрев питания сердечника вихревыми токами. Х0 моделирует перемагничивание сердечника по петле гистерезиса.

Экспериментальное определение параметров схемы замещения трансформаторов.

1. Опыт при холостом ходе.

I'2=0



Схема замещения:

Сравним мощность, которая выделяется на сопротивлении R1 в номинальном режиме

Параметрами Хр1 и R1 можно пренебречь.

В итоге получаем:

Р0 называют потерями в опыте холостого хода или магнитными потерями или потерями в стали. Р0=Рмагн=Рстали

Опыт холостого хода позволяет определить параметры магнитной цепи. однофазный трансформатор замыкание замещение

Опыт короткого замыкания.

Rн=0 I2=max

В виду малости U1кз ток I10xx становиться настолько мал, что параметрами R0 и Х0 можно пренебречь, то есть эта диагональ отсутствует.

Опыт короткого замыкания позволяет определить параметры первичной и вторичной катушек трансформатора.

Считают, что

Опыт короткого замыкания позволяет определить важный параметр трансформатора - напряжение короткого замыкания. Это выраженное в процентах напряжение на первичной обмотке, при котором в накоротко замкнутой вторичной обмотке протекает номинальный ток



.

Для силовых трансформаторов напряжение Uк = 5…8%.

Напряжение короткого замыкания

активная составляющая напряжения короткого замыкания

реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

Эти напряжений , , связаны между собой соотношением

.

Упрощенная схема замещения трансформатора и внешняя характеристика.

Схема замещения:



Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость между вторичным напряжением и током нагрузки при заданном первичном напряжении

при .

Изменение вторичного напряжения определяют в процентах

.

Если ввести понятие коэффициента нагрузки трансформатора , то с учетом векторной диаграммы (рис. 9.9) и соотношений (9.18) и (9.19) выражение (9.21) можно привести к виду

или .

По известному значению определяют вторичное напряжение



Пример Известны номинальные данные однофазного трансформатора: мощность = 5 кВА, первичное напряжение = 400 В, вторичное напряжение = 120 В, а также мощность потерь при холостом ходе = 50 Вт, при коротком замыкании = 150 Вт и напряжение короткого замыкания % = 6,5 %.

Определить ток холостого хода, коэффициент трансформации, параметры схемы замещения, активную и реактивную составляющие напряжения короткого замыкания, ток короткого замыкания, напряжение и ток для нагрузки с параметрами = 4 Ом, = 0,8.

Указания: 1) принять ток холостого хода равным 8 % от номинального значения; и ; 2) принять потери мощности в обмотках при коротком замыкании одинаковыми.

Решение. Номинальный ток первичной обмотки

ток холостого хода

коэффициент трансформации



Параметры схемы замещения

Ом;

Ом;

Ом.

В режиме короткого замыкания

Сопротивления короткого замыкания

Ом;

Ом;

Ом.

С учетом указания 2

Ом;

Ом.



Ток короткого замыкания на первичной стороне

или

на вторичной стороне

Для определения напряжения и тока при заданных параметрах нагрузки рассчитаем ток

где Ом;

Ом.

Коэффициент нагрузки

Изменение вторичного напряжения по (9.23)



%.

Вторичное напряжение и вторичный ток

Потери мощности и КПД трансформатора.

Баланс мощности трансформатора выражается равенством

где - активная мощность, подведенная к первичной обмотке; - мощность магнитных потерь; - мощность электрических потерь в обмотках.

Так как , то мощность магнитных потерь не изменяется и при номинальном напряжении составляет 1…2 % от номинальной мощности. Мощность потерь в обмотках зависит от нагрузки, так как .

КПД трансформатора

Так как , при опытах холостого хода и короткого замыкания было получено



;

.

Расчет по (9.25) показывает, что с увеличением нагрузки КПД сначала быстро возрастает, при нагрузке 50…70 % от номинальной достигает максимального значения и затем уменьшается. Максимальный КПД силовых трансформаторов достигает 99,5 %.

Пример Для трансформатора, параметры которого приведены в примере 9.1, определить КПД при = 0,8 и изменении нагрузки от холостого хода до номинальной.

Решение. Согласно (9.25)

Задаваясь различными коэффициентами нагрузки, получим

, о.е.	0,25	0,5	0,75	1,0
, о.е.	0,944	0,958	0,957	0,952

Размещено на Allbest.ru

...