Тема №1.7. Трансформаторы

1.Назначение трансформаторов и их классификация.

Трансформатором тока (ТТ) называется измерительный аппарат, служащий для преобразования тока, у которого первичная обмотка включается в цепь последовательно, а вторичная — содержит измерительные приборы и реле защиты и автоматики.
Трансформатор тока — основное измерительное устройство в электроэнергетике. Оно отличается от применяемых в прибора низкого напряжения на сильные токи уровнем изоляции между первичной и вторичной обмотками. В ТТ первичная обмотка изолирована от вторичной на полное напряжение. Вторичная обмотка в эксплуатации имеет потенциал близкий к потенциалу земли, так как один конец этой обмотки обычно заземлен. С помощью ТТ можно измерять и учитывать ток высокого напряжения приборами низкого напряжения, доступными для непосредственного наблюдения персонала, и свести к измерению любого первичного тока, например 5 или 1А.
Измерительные ТТ отличаются от силовых ТТ следующими признаками:
Измерительный ТТ работает в условиях, близких к КЗ, так как сопротивление во вторичной цепи у него весьма мало. Этот режим является нормальным режимом работы, в то время как для силового ТТ режим работы КЗ является аварийным,
Индукция в измерительном ТТ непостоянна и определяется измеряемым током и режимом эксплуатации трансформатора, в то время как в силовом трансформаторе индукция постоянна;
Ток во вторичной цепи измерительного ТТ в известных пределах не зависит от нагрузочного сопротивления и в основном изменяется в соответствии с изменением первичного тока. В силовом ТТ первичный ток изменяется в зависимости от нагрузки вторичной обмотки.

Классификация трансформаторов тока

Все трансформаторы тока — и для измерений и для защиты — можно классифицировать по следующим основным признакам: по роду установки: трансформаторы для работы на открытом воздухе (категория размещения 1 по ГОСТ 15150-69), для работы в закрытых помещениях (тот же ГОСТ), для встраивания во внутренние полости электрооборудования (газовая среда, изолированная от наружного воздуха или трансформаторное масло, либо газовая среда не изолированная от наружного воздуха);
по способу установки: проходные ТТ, предназначенные для использования в качестве ввода и устанавливаемые в проемах стен, потолков, механических конструкциях; опорные, встраиваемые и т.д.;
по числу коэффициентов трансформации: с одним коэффициентом трансформации; с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих обмоток;
по числу ступеней трансформации: одноступенчатые; каскадные (многоступенчатые), т.е. с несколькими ступенями трансформации тока;
по выполнению первичной обмотки: одновитковые, многовитковые;
по роду изоляции между первичной и вторичными обмотками
ТТ: изготавливаются с твердой (фарфор, литая изоляция, прессованная изоляция, полимерная и т.д.); с вязкой (заливочные компаунды); с комбинированной (бумажно-масляная, конденсаторного типа) или газообразной (воздух, элегаз) изоляцией.
по принципу преобразования тока ТТ: электромагнитные и оптико-электронные

2.Вклад русских электротехников Н.Н. Яблочкова, И.О. Доливо-Добровольского создании и использовании трансформаторов.

Одним из основоположников техники применения переменных токов считается талантливый русский инженер и изобретатель Михаил Осипович Доливо-Добровольский. С его именем связаны работы в области создания техники трехфазных переменных токов. Он является создателем простого и надежного в использовании асинхронного двигателя. Двигатель такой конструкции используется и в наши дни. Все элементы трехфазной системы были созданы Доливо-Добровольским.

Первые работы М. О. Доливо-Добровольского были связаны с системами постоянного тока. Занимаясь проблемами применения постоянного тока, он также следил за важнейшими событиями теоретической мысли. Он ознакомился с работами итальянского физика Галилео Феррариса по вращающемуся магнитному полю.

В своих работах Феррарис утверждал что коэффициент полезного действия асинхронного двухфазного двигателя не будет превышать 50% и поэтому, многофазные электрические машины переменного тока не получат широкого применения. Начиная с 1888 года, М. О. Доливо-Добровольский занялся изучением многофазных систем, для которых он установил особое название, затем утвердившееся в терминологии электротехники. Глубоко изучив машины постоянного тока, он сделал правильный вывод об ошибочности теории Феррариса.

Для своих работ Доливо-Добровольский стал использовать не двухфазный ток, как это делали Феррарис и Никола Тесла, а трехфазный, то есть три переменных тока, каждый из которых сдвинут по фазе на 120 градусов.

3. Однофазный трансформатор. Его устройства и принципы действия. Режимы работы трансформатора.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Рассмотрим устройство однофазного трансформатора изображённого на рис.4.1.

Tрансформатор состоит из ферромагнитного сердечника, в который встраиваются две катушки с изолированными обмотками, содержащими количество витков и .

Обмотка , включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка , связанная с приёмником, называется вторичной. Если вторичное напряжение больше первичного, то трансформатор называется повышающим; если же вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим.

Рис.4.1. Схема, поясняющая устройство и работу однофазного трансформатора

Действие трансформатора основано на электромагнитной индукции. Под действием мгновенного напряжения в первичной обмотке возникает мгновенный ток равный току холостого хода . Под действием магнитодвижущей силы (МДС) в сердечнике возбуждается магнитный поток Ф, направление которого определяется по правилу буравчика. Магнитный поток индуктирует мгновенные ЭДС = - dФ/dt и = - dФ/dt в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Реальный трансформатор кроме обмоток и , в которых индуктируются ЭДС и , обладает активными сопротивлениями первичной и вторичной обмоток и их индуктивностями рассеяния, в которых индуктируются ЭДС рассеяния катушек, совпадающих по направлению с ЭДС и . Пренебрегая малыми величинами значений ЭДС рассеяния обмоток и их активными сопротивлениями в дальнейшем будем рассматривать идеализированный трансформатор.

При замыкании ключа S на нагрузку, во вторичной обмотке возникнет ток , а в первичной обмотке - ток . При этом суммарная МДС первичной и вторичной обмоток равна - = . МДС имеет отрицательный знак, так как

направлена встречно к МДС . МДС возбуждает в магнитопроводе результирующий магнитный поток Ф , равный магнитному потоку в режиме холостого хода. При всяком изменении нагрузки МДС будет изменяться на величину равную изменению МДС ; при этом, возбуждаемый магнитный поток в сердечнике, будет постоянным. Общий магнитный поток сердечника Ф измеряется в веберах [Вб] или вольт секундах [B∙c].

4.Потеря энергии и КПД трансформатора

В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Эти потери разделяются на электрические и магнитные:

1). Электрические потери обусловлены нагревом обмоток трансформатора при прохождении по ним электрического тока. Их мощность Рэ равна сумме потерь в первичной обмотке Рэ1 и во вторичной обмотке Рэ2:

Рэ = Рэ1+Рэ2.

Электрические потери называют переменными, т. к. их величина зависит от нагрузки трансформатора. При номинальном токе для мощных трансформаторов они обычно составляют (0,5÷2)% номинальной мощности. Уменьшение электрических потерь достигается соответствующим выбором площади сечения проводов обмоток трансформатора (снижение электрических потерь в проводах).

2). Магнитные потери происходят главным образом в магнитопроводе трансформатора. Причина этих потерь - систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Их мощность Рм равна сумме потерь от гистерезиса Рг и от вихревых токов Рв. т.

Рм = Рг+Рв. т.

Магнитные потери для мощных трансформаторов составляют (0,3÷0,5)% номинальной мощности. С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора изготовляют из электротехнической стали (снижение потерь от перемагничивания) и делают его шихтованным в виде пакетов из тонких пластин, изолированных с двух сторон (снижение потерь от вихревых токов).

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе вторичной обмотки Р2 (полезная мощность) к активной мощности на входе первичной обмотки Р1 (подводимая мощность):

Ƞ = Р2/Р1=Р2/(Р2+Рэ+Рм).

Благодаря отсутствию в трансформаторе вращающихся и трущихся деталей потери энергии в нём по сравнению с вращающимися машинами малы, а КПД высок и достигает в трансформаторах большой мощности (0,98÷0,99). В трансформаторах малой мощности КПД достигает (0,5÷0,7). Максимальное значение КПД трансформатор имеет при такой нагрузке, когда электрические потери Рэ равны магнитным потерям Рм. При проектировании трансформаторов стремятся, чтобы максимальное значение КПД достигалось при нагрузке (50÷75)% номинальной; это соответствует наиболее вероятной средней нагрузке работающего трансформатора, называемой экономической.

5.Понятия о трехфазных трансформаторах.

Трехфазный трансформатор состоит из трех однофазных, магнитопроводы которых объединены в один общий трехстержневой (рис. 8.17, д). Действительно, если три однофазных двухобмоточных трансформатора расположить, как изображено на рис. 8.17, а, а их первичные обмотки соединить звездой (рис. 8.17, б) и подключить к трехфазной сети, то в них возникнут токи холостого хода. Токи будут иметь одинаковое значение, но будут сдвинуты относительно друг друга на 120° (рис. 8.17, в). Магнитные потоки, создаваемые токами, также будут сдвинуты на 120°. Сумма магнитных потоков, так же как и токов, будет равна нулю. Если объединить три стержня ABC однофазных трансформаторов в один, то в этом стержне магнитного потока не будет и надобность в нем отпадает. В результате образуется трехфазный трансформатор (рис. 8.17, г). Однако изготовление такого трансформатора технически и технологически затруднено. Действительно, гораздо удобнее расположить стержни магнитопровода в одной плоскости, как изображено на рис. 8.17, д. По существу ничего не изменится. Однако при этом немного уменьшится длина магнитопровода для среднего стержня В. Это несколько нарушит симметрию магнитопровода трансформатора и приведет к тому, что намагничивающий ток (ток холостого хода) обмотки среднего стержня В будет несколько меньше, чем обмоток стержней А и С. Однако асимметрия не имеет практического значения.

Рис. 8.17. К пояснению образования трехфазного трансформатора

Итак, трехфазный двухобмоточный трансформатор (рис. 8.17, д) имеет один трехстержневой магнитопровод с двумя обмотками на каждом из стержней. Каждая фаза трехстержневого трансформатора представляет собой по существу однофазный трансформатор. Поэтому анализ работы и расчет трехфазных трансформаторов при равномерной нагрузке каждой фазы аналогичны однофазным и схема замещения изображается для одной фазы.

Начала и концы первичных обмоток обозначаются большими буквами — соответственно АХ,BY, CZ, вторичных обмоток — малыми буквами ах, by, cz. Фазы вторичных обмоток, так же как и первичных, могут быть соединены звездой или треугольником.