IV. Экспериментальное определение параметров схемы замещения трансформаторов.

II. Электрическая схема и принцип действия.

I. Классификация и область применения.

Однофазный трансформатор

Лекция №11

  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.

 

 

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.

 

  1. Разделительные трансформаторы (многообмоточные)

Условные обозначения на электрических схемах

 

Предназначен для гальванического разделения электрического питания цепи.

  1. Согласующиеся трансформаторы.
  2. Специальные трансформаторы
  3. Измерительные трансформаторы. Предназначены для расширение пределов измерений показывающие измерительные приборы.

 

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

(9.1)

Рис. 9.2

который пронизывает обмотки и индуктирует в них ЭДС

(9.2)

где – амплитудные значения ЭДС.

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

; . (9.3)

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

. (9.4)

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.

III. 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 σ 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.

 

  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.

  1. 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

.