Применяемые ферромагнитные материалы
Лекция 3. ТРАНСФОРМАТОРЫ
Электромагнитные элементы устройств электропитания.
Принцип действия и устройство трансформатора
Применяемые ферромагнитные материалы.
3.4. Режимы работы: холостой ход, рабочий режим.
Опыты холостого хода и короткого замыкания, КПД.
Эксплутационные и внешние характеристики трансформаторов.
3.1. Электромагнитные элементы устройств электропитания.Среди функциональных элементов систем электропитания аппаратуры связи силовые трансформаторы по широте распространения и универсальности применения занимают первое место. Трансформаторы применяют в системах передачи и распределения электрической энергии, в электропитающих устройствах предприятий связи, в выпрямительных и преобразовательных устройствах и т.д.
Мощность, габаритные размеры и масса трансформаторов в зависимости от их назначения, изменяются в широких пределах. Трансформаторы малой мощности (ТММ) маломощных до нескольких кВт, отличаются от мощных силовых трансформаторов, применяемых на трансформаторных подстанциях в линиях электропередачи, соотношениями между электромагнитными характеристиками, а также разнообразием конструкций и режимом работы. ТММ в зависимости от областей применения подразделяются на силовые трансформаторы, высокочастотные трансформаторы инверторов, импульсные трансформаторы, используемые в целях управления тиристорами и др.
Принцип действия и устройство трансформатора.
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока одной системы в электрическую энергию переменного тока другой системы с иными параметрами (с иным напряжением, током, числом фаз, частотой или формой кривой напряжения).
Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии двух или, в общем случае, нескольких электрически несвязанных и неподвижных друг относительно друга обмоток. Если одну из обмоток присоединить к сети переменного тока, то под действием переменного магнитного поля в другой обмотке, магнитно-связанной с первой, индукцируется ЭДС. При включении второй обмотки на какой либо приёмник энергия в цепи будет передаваться во вторую.
Обмотка трансформатора, связанная с сетью более высокого напряжения, называется обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотка, связанная с сетью более низкого напряжения (НН).
Обмотка, включённая в сеть источника электрической энергии, из которой трансформатор потребляет преобразуемую им электрическую энергию, называется первичной; обмотка, включённая в сеть приёмника энергии, называется вторичной. Если первичной обмоткой трансформатора является обмотка высшего напряжения, вторичной – обмотка низшего напряжения, то такой трансформатор называется понижающим; если же первичная обмотка – обмотка низшего напряжения, а вторичная – высшего, то трансформатор называется повышающим.
Обмотки трансформаторов. Трансформатор может содержать две или несколько обмоток, из которых одна первичная, включаемая в сеть источника электрической энергии, а обмотка включенная в сеть приемника энергии, называется вторичной. Трансформатор может быть понижающим, если напряжение первичной обмотки больше напряжения вторичной обмотки или повышающим если первичная обмотка - обмотка низшего напряжения, а вторичная - высшего. Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндричискую форму, выполняя их при малых токах из круглого изолированного провода, а при больших токах из шин прямоугольного поперечного сечения. Ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения, т.к. ее легче изолировать от него, чем обмотку высшего напряжения.
Применяемые ферромагнитные материалы.
Для улучшения магнитной связи между обмотками служит стальной магнитопровод, собранный из пластин специальной электротехнической стали. В магнитопроводе выделяются потери преобразуемой им энергии, которые складываются из потерь на гистерезие и потерь на вихревые токи. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собирают из отдельных пластин, изолированных одна от другой лаком или окалиной. Толщина пластин 0,5 или 0,35 мм при частоте тока в сети 50 Гц и меньшей толщины при более высокой частоте.
В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем однофазные трансформаторы разделяют на стержневые и броневые.
Схемы устройства трансформаторов:
а – пластинчатый стержневой
б – пластинчатый броневой;
в – ленточный стержневой;
г – ленточный броневой.
Стержневой магнитопровод имеет два стержня, охватываемых обмотками. На каждом стержне помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмоток. Такое расположение обмоток на магнитопроводе обеспечивает лучшую магнитную связь между обмотками, чем при размещении первичной и вторичной обмоток на различных стержнях, как это условно изображается на схемах.
В трансформаторе броневого типа первичная и вторичная обмотки помещаются на среднем стержне магнитопровода.
Магнитопроводы могут изготовляться из лент. Трансформаторы больших и средних мощностей выполняют стержневыми, т.к. в броневых трансформаторах трудно изолировать обмотки высшего напряжения от магнитопровода. Трансформаторы малой мощности часто изготавливают броневыми, обладающими рядом конструктивных достоинств: одна катушка вместо двух; более высокий коэффициент заполнения окна сердечника обмоточным проводом; частичная защита обмотки ярмом от механических повреждений.
Трансформаторы малых мощностей имеют естественное воздушное охлаждение, а в сердечнике и обмотках мощных трансформаторов устанавливаются вентиляционные каналы. Широко используется масляное охлаждение.
3.4. Режимы работы трансформатора: холостой ход, рабочий режим.
Холостой ход (х.х.) трансформатора При х.х.вторичная обмотка трансформатора разомкнута и ток в ней равен нулю (I2=0), а первичную обмотку включают в сеть переменного тока с номинальным напряжением U1. Под действием приложенного напряжения по первичной обмотке протекает ток I1=Iох.х., равный току х.х., который значительно меньше номинального тока первичной обмотки, т.к. ток нагрузки и потери Р2 равны нулю. При Iх.х.<<Iн и I2=0 потери в обмотках (меди) в режиме х.х. близки к нулю, поэтому мощность, потребляемая трансформатором в режиме х.х. практически равна потерям в стали Р1=Рст, I2=0.
В режиме КЗ (короткого замыкания) вторичная обмотка закорачивается накоротко (напряжение на обмотке W2 равно 0), на первичную обмотку подается пониженное напряжение U1к<<U1ном, при котором ток в обмотке будет равен номинальному значению I1к =I1ном.
номинального тока первичной обмотки, так как ток нагрузки и потери Р2 равны нулю. При Iхх<<Iн и I2=0 потери в обмотках (меди) в режиме хх близки к нулю, а поэтому мощность, потребляемая трансформатором в режиме хх практически равна потерям в стали Р1=Рст, I2=0.
В режиме КЗ (короткого замыкания) вторичная обмотка закорачивается накоротко (напряжение на обмотке w2=0), на первичную обмотку подается пониженное напряжение U1к<<U1пом, при котором ток в обмотке будет равен номинальному значению I1к=I1ном. Из закона электромагнитной индукции при условии 
следует однозначная связь между величиной магнитного потока в сердечнике трансформатора и величиной напряжения первичной обмотки. Следовательно потери в стали Рст пропорциональны квадрату действующего значения магнитного потока Фо. При малой величине напряжения U1к, а следовательно, и малой величине потока Фо в режиме КЗ потери в стали трансформатора пренебрежимо малы. Поэтому потребляемая трансформатором в режиме КЗ мощность равна потерям в меди Рм, которые соответствуют номинальному значению тока I1к=I1ном и зависит от сопротивления проводов обмоток.
Опыты холостого хода и короткого замыкания, КПД.Экспериментальное исследование трансформатора в режиме хх называют опытом холостого хода. При проведении опыта хх (рис. 2) измеряются напряжение на первичной обмотке U1хх=U1ном, ток Iхх<<Iном и потребляемая мощность Рхх=Рст, а также ЭДС вторичной обмотки, которая по определению равна номинальному напряжению Е2=Е2ном.
Схема опыта хх
В режиме работы трансформатора под нагрузкой на первичную обмотку подается номинальное напряжение и по ней должен протекать номинальный ток, а ток нагрузки равен номинальному I2=I2ном.
Измеренные функциональные переменные позволяют рассчитать:
а) активную и реактивную составляющие тока первичной обмотки трансформатора:
;
б) активную и реактивную составляющие сопротивления трансформатора в режиме ХХ:
;
в) коэффициент трансформации трансформатора:
;
г) коэффициент ХХ, который характеризует относительное значение намагничивающей составляющей номинального значения тока первичной обмотки:
.
Режим короткого замыкания (КЗ).Экспериментальные исследования трансформатора в режиме КЗ называется опытом КЗ. При проведении опыта КЗ (рис. 3) измеряются ток в первичной обмотке трансформатора I1к=I1н, напряжение на обмотке U1к и потребляемая мощность Р1к=Рк. Измеренные функциональные переменные позволяют рассчитывать активную и реактивную составляющие сопротивления КЗ трансформатора:
; 
; 
активную и реактивную составляющие падения напряжения на КЗ трансформаторе, которые используются при расчетном определении значения одного из показателей качества трансформатора
и 
Схема опыта КЗ