Трансформаторы и их виды

1.

2.

1. Назначение трансформаторов
2. Трансформаторы: стержневой и броневой
3. Устройство трансформатора
4. Условно- логическая схема работы трансформатора
5. Принцип действия трансформатора
6. Опыт холостого хода трансформатора
7. Нагрузочный режим трансформатора
8. Параметры приведенной вторичной обмотки. Схема замещения
трансформатора
9. Уравнения МДС, токов и ЭДС обмоток трансформатора. Векторная
диаграмма
10. Потери напряжения, внешняя характеристика потери мощности и КПД
трансформатора
11 Опыт лабораторного короткого замыкания трансформатора
12. Трехфазный трансформатор
13.Параллельная работа трансформаторов
14. Сварочный трансформатор. Автотрансформатор
15. Измерительные трансформаторы

3.

Трансформаторы служат для преобразования переменного напряжения
(тока) одной величины в напряжение (ток) другой величины той же
частоты.
Трансформаторы
Силовые – для питания потребителей или
передачи электроэнергии на большие
расстояния
Специализированные
(измерительные, сварочные,
согласующие, импульсные)

4. Трансформаторы: а – стержневой; б – броневой 1 – магнитопровод; 2 – магнитный поток Ф; 3 – обмотки

Ярмо
Стержень
Трансформатор состоит из магнитопровода, набранного из листов
электротехнической толщиной 0,35…0,5 мм, и обмотки, выполненной из
медного или алюминиевого провода. Различают первичную обмотку
(подключается к источнику питания) и вторичную (подключается к нагрузке).

5.

Однофазный трансформатор состоит из магнитопровода из ферромагнитного
материала, на котором размещены две обмотки (катушки) (а).
б) – обозначение трансформатора на электрических схемах; в) - обозначение на схемах
электроснабжения

6.

МДС(I1W1) возбудитель(в)
магнитного
потока Ф
Цепь
замкнута
U1
ЦЗ
Согласно закону
электромагнитной
индукции (ЭМИ)
в обмотках наводятся ЭДС E1 и Е2
I1
W1
I1 W1
E1
Ф
в
I2W2
ЭМИ
W2
E2
I2
ЦЗ
Н
Цепь замкнута
и если включена
нагрузка (Н), то
протекает ток I2

7.

Результирующий (рабочий) поток Ф ≈ Ф1х создается результирующей МДС равной
i1w1 – i2w2 ≈ i0w1. Рабочий поток Ф по закону электромагнитной индукции наводит в
первичной обмотке ЭДС самоиндукции е1 и во вторичной обмотке ЭДС
взаимоиндукции е2:
d
d
e1 w1
; e2 w2
dt
dt
.
Напряжению источника u1(t) = U1msinωt соответствует магнитный поток
ф(t )
,
U1m
cos ωt m cos ωt
ωw1
где Φm = U1m / (ωw1) – амплитуда магнитного потока.
Таким образом, амплитуда Φm основного потока определяется амплитудой
питающего напряжения и остается почти неизменной в режимах от
холостого хода до номинального.
Мгновенные значения е1 и е2:
e1 w1ω Фm sin ωt;
e2 w2ω Ф m sin ωt
.Действующие
значения ЭДС первичной и вторичной обмоток:
E1 2 fw1 Ф m 4,44 fw1 Ф m ;
E2 4,44 fw2 Ф m

8.

380/220В
U2
U1
I1
I2
Если напряжение U2<U1 (w1>w2), то трансформатор называется понижающим. В противном
случае трансформатор называется повышающим (k<1). В соответствии с этим различают
обмотку высшего ВН и обмотку низшего НН напряжения.
Коэффициент трансформации
E w U
k 1 1 1
E2 w2 U 2
U1I1 U 2 I 2
Если, напряжение вторичной обмотки трансформатора меньше первичной в 2 раза, то ток
вторичной обмотки будет больше тока первичной обмотки в 2 раза.

9.

Неравенство витков первичной и вторичной обмоток, магнитная связь между обмотками
усложняют расчет электрических цепей, элементами которых является трансформатор.
Для его упрощения составляют эквивалентную электрическую схему, в которой магнитная
связь заменяется гальванической. Получил распространение способ приведения параметров
вторичной обмотки трансформатора к первичной.
Основные соотношения:
Число витков в приведенном трансформаторе:
w΄2 = w1.
Поскольку ЭДС обмоток после приведения становятся одинаковыми
E 1 E 2 nE 2
e1 e2
Приведенный ток вторичной обмотки трансформатора:
I'2 = I2 /n
Приведенные сопротивления вторичной обмотки трансформатора:
R2 n 2 R2
X 2 n 2 X 2 n 2ωL2 s
Z н n2 Z н

10.

R1
X1
I0
X2 R2
X0
R0
U1
E1
I1
U2
E1=E2
I2
Zн

11.

PA1
A
U1ном
PV1
I0
R1
W
V
В опыте х.х. U10 = U1ном; I20 = 0
PW1
PV2
V
U2
а
X1
I0
X2 R 2
X0
U1ном
I0
R0
I2=0
U2x
Из опыта х .х. определяют:
n – коэффициент
трансформации
• n = U1ном/U20; Е1 ~ U1ном; Е2 =U2хх.
• Р0 – потери в стали;
• I0 – ток х.х. ( I0 = 3…5%)I1ном
• Z0, R0, Х0 – параметры цепи
намагничивания схемы
замещения
б
Z
0
U 1ном
I
0
R0
P
I
x
2
X0
Z 0 R0
2
2
0
• δ - угол магнитных потерь
δ = /2 – 0= arctg(R0/X0),
составляет 3…10°.
• cosφ0= P0 /U1ном I0
Из векторной диаграммы следует, что ток х. х. имеет реактивную составляющую
значительно большую, чем активную.
Следовательно, ток х.х. почти весь идет на создание магнитного потока.

12.

Схема замещения трансформатора
трансформатора
R‘2
X2'
R1
X1
А
°
İ1
U1
°Х
R1
.
Ė1
X1
°
°
X'2
Z‘н
U‘2
R‘2
Действующие
значения
ЭДС
первичной и вторичной обмоток:
х
а
X0
E'2
U‘2
Z‘н
х
E2 4,44 fw2 Ф m
ЭДС от потоков рассеивания:
I‘2
Ė1
E1 2 fw1 Ф m 4,44 fw1 Ф m ;
•. .
R0
İ1
U1
E'2
I‘2
а
При подключении первичной
обмотки трансформатора к
источнику питания переменного
напряжения на зажимах вторичной
обмотки индуцируется переменная
ЭДС Е2 и вторичная обмотка
становится источником питания
Ė1σ = - jX1Í1; Ė2σ = - jX2Í2

13.

Из постоянства амплитуды
потока Фm, следует постоянство
МДС:
jX1I1
R 1 I1
w1 i1 + w2 i2 = w1i0.
Разделив правую и левую части
уравнения на w1, получаем
уравнение токов:
i1 = i0 +(– i2/n).
jX2I2
R 2 I2
U1
.
По второму закону Кирхгофа для
схемы замещения
трансформатора можно
–E2
составить следующие уравнения:
U 1 R1I 1 jX 1I 1 E 1
U 2 R2 I 2 jX 2 I 2 + E 2
U2
I1
2
I2
I0
E1=E2
б
δ
Φ

14.

*
A
I1к
PA1
U1к
* PW1
W
V
U2
PV1
а
R1
X1
X2' R2'
X0
U1к
В опыте к. з. U1 = U1k; I1К = I1ном;
Из опыта к. з. определяют:
электрические потери: ΔРк
полное сопротивление
короткого замыкания:
Zк
I1к = I1ном
U
I
1к
;
1ном
R0
б
•а – схема опыта лаб. к.з.;
•б – схема замещения
Напряжение U1к является важным параметром
трансформатора и указывается на его щитке (в %).
Активная U1ка, %, и реактивная U1кр, %, составляющие напряжения U1к, %:
U1ka = U1k cosφk;
U1к,р
U1к 2 U1к,а 2
сosφk = ΔРк/ (U1kI1ном)
активное сопротивление к. з.
R
k
P
I
k
2
1ном
реактивное сопротивление к. з.
Xк
Z к Rк
2
2
сопротивления обмоток:
R1 R2
,
R ; X 1 X ,2 Xк
2
2
к

15.

U U1ном U 2 U1ном U1к,а cos н U1к,р sin н
определяют вид внешней характеристики
Внешняя характеристика трансформатора –
U2 = f( I2) при cosφн = const и U1 = U1ном (а);
φн < 0
φн = 0
φн > 0
U2
U2x
1
β
a
1
η
1
б
β

16.

• .Потери мощности в трансформаторе – сумма
мощностей потерь в стали сердечника (Рх)и меди
обмоток (Рк):
∆P = ∆Pх + ∆Pк
КПД трансформатора
η = Р2/Р1 ,
где P2 – активная мощность, потребляемая нагрузкой;
P1 – активная мощность, потребляемая
трансформатором из сети;
Для расчета η используют формулу:
S ном cos н
S ном cos н Px 2 Pк
Оптимальный КПД при:
Pх / Pk
=I1/I1ном = I2/I2ном – коэффициент
нагрузки
φн < 0
U
Изменение
КПД в зависимости
2x
φн = 0
от нагрузки φн > 0
η = f (β)1
β
U2
a
1
η
1
б
β

17.

18.

Трехфазную систему токов
можно трансформировать
или тремя однофазными
трансформаторами, или
одним трехфазным.
Трехфазный трансформатор
имеет три стержня, на
которых располагаются
первичные и вторичные
обмотки.
Схемы соединения обмоток, которые в
основном используются в силовых
трехфазных сетях: Y/YN, Y/∆ и YN/∆
Y/YN
Y/∆
YN/∆
Начала и концы обмоток ВН обозначают буквами А, В, С и Х, Y, Z, а НН –
а, b, с и х, у, z. Эти обмотки могут быть соединены звездой «Y» или
треугольником «Δ».

19.

При параллельной работе трансформаторов и при использовании измерительных
трансформаторов важны фазовые сдвиги между первичным и вторичным
напряжениями. Поэтому трехфазные трансформаторы делят на группы соединений
в зависимости от сдвига фаз одноименных линейных напряжений обмоток ВН и НН.
A
B
C
UA
X
UB
Y
UC
Z
a
c
b
Ua
x
Ub
y
а
Uc
z
UAB
Uab b z
У трехфазных трансформаторов угол
сдвига этих напряжений кратен 30 , что
делает возможным 12 групп соединений,
которые нумеруют целыми числами 0, 1,
2……11.
B
y
c
Aa
x
Ua UA
330
C
б
Схема
трехфазного
трансформатора
/
(а) и его векторная диаграмма (б)
Для определения номера группы
соединения нужно найти в
градусах угол, на который вектор
линейного напряжения обмотки НН
отстает от одноименного вектора
линейного напряжения обмотки ВН,
и разделить этот угол на 30º. Угол
отставания определяется против
часовой стрелки от вектора НН к
вектору ВН

20.

•При включении на параллельную работу к первичным обмоткам всех
• трансформаторов подводится одно и то же напряжение U1.
• Вторичные обмотки всех трансформаторов подключают к одним и тем же
• общим шинам, к которым подключается нагрузка. Для нормальной работы
• трансформаторы должны удовлетворять следующим условиям:
• 1) коэффициенты трансформации всех трансформаторов должны быть равны;
• 2) напряжения короткого замыкания всех трансформаторов должны быть равны;
•3) все трехфазные трансформаторы должны иметь одну группу соединения обмоток
Ė21
U20
U21
U2
U2ш
Ė22
Ψ2
11
0
Ė21
Ė22
U22
İур
ΔĖ2
ΔĖ2
0
Векторная диаграмма
вторичных ЭДС и
уравнительного тока
параллельно
работающих
Однофазных
трансформаторов
0
I22
I21 I2
0
Внешние характеристики
параллельно работающих
трансформаторов,
– Ė22
показывающие
Векторная диаграмма
распределение
вторичных линейных ЭДС
нагрузки между ними
параллельно работающих
трехфазных трансформаторо
0 и 11 групп соединения
обмоток

21.

Якорь
4
5
3
2
Дроссель
U1
I2
1
U2
6
7
а.
U2
Электрод
a
Зажигание
1
U2x
ВАХ дуги
Горение
U2ном
2
I2к
I2
I2ном
б
Устройство сварочного трансформатора (а):
1, 2 – обмотки трансформатора;3 – дроссель;
4 – якорь; 5 – воздушный зазор; 6 – электрод
б – характеристики сварочного трансформатора
Свариваемая
деталь

22.

Автотрансформаторы применяются при пуске мощных асинхронных и синхронных
двигателей, при соединении высоковольтных сетей с разным напряжением.
Маломощные автотрансформаторы
используют в устройствах автоматики,
электросвязи, радиоаппаратуре.
Широкое распространение получил лабораторный автотрансформатор (ЛАТР),
позволяющий плавно регулировать напряжение.
I1
I2
w1
U1
n
w2
U2
I12
Rн
w1 U1 I 2
w2 U 2 I1
I12 I 2 I1 nI1 I1 I1 (n 1)

23.

Схема подключения ТТ
W1
I1
TA1
J1 J2
I2
SA1
A
I1 I 2 w2 I 2
w1 K т
Схема подключения ТН
U1
W2
A
a
U1
U2
X
TV1
x
Kт = w1/w2.
Поскольку w1 << w2, то измеренный ток I2 << I1.
Обычно у амперметра I2ном = 5 А,
V
. Схема подключения амперметра,
вольтметра, ваттметра к ТТ и ТН
U1
W1
I1
A
TV1
a
V
x
W2
J2
J1
X
U2
TA1
A
*
*
W

24.

1. Устройство и принцип работы однофазного трансформатора.
2. Вычертите условно логическую схему трансформатора и объясните по ней его принцип работы.
3. Начертите схему опыта холостого хода трансформатора и объясните, какие величины
определяются в этом опыте.
4. Что называется коэффициентом трансформации трансформатора?
5. Выведите выражения для действующих значений ЭДС, наводимых в первичной и вторичной
обмотках трансформатора основным магнитным потоком.
6. Напишите уравнение МДС трансформатора.
7. Напишите уравнение токов трансформатора и объясните физический смысл составляющих
тока первичной обмотки.
8. Как выражаются ЭДС рассеивания обмоток?
9. Напишите уравнения электрического состояния первичной и вторичной обмоток и объясните
смысл каждого из членов этих уравнений.
10. Что называют приведенными величинами вторичной обмотки?
11. Начертите схему замещения трансформатора.
12. Почему в опыте холостого хода мощность потерь в обмотках настолько мала, что ее можно
пренебречь?
13. Начертите схему опыта короткого замыкания трансформатора и объясните, какие величины
определяются в этом режиме?
14. Почему в опыте короткого замыкания мощность потерь в стали настолько мала, что ею можно
пренебречь?
15. Сформулируйте определение напряжения короткого замыкания и назовите его примерное
значение.
16. Напишите выражения процентного изменения напряжения трансформатора.
17. При какой степени нагрузки наблюдается максимальное значение КПД силовых
трансформаторов.
19. Объясните, почему трансформатор работает при постоянном магнитном потоке?
20. Изобразите схематически трехфазный трансформатор.
21. Какие схемы соединения обмоток трансформатора и его группы вы знаете?