Лекция "Назначение, области применения, классификация трансформаторов"

МДК 01.01 Электрические машины - 4

Задание для обучающихся с применением дистанционных образовательных технологий и электронного обучения

Дата 19.01

Группа Э-19

Междисциплинарный курс: МДК.01.01 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Тема занятия:      Назначение, области применения, классификация трансформаторов

Форма: лекция

Задание:

- Просмотреть видеоролик «Трансформаторы, принцип действия, конструкция, классификация»

- Проработать материал лекции и составить краткий конспект лекции

- Расшифровать обозначения трансформаторов (любой столбец на с. 5)

- - Готовое практическое задание сфотографировать и прикрепить все фотографии в разделе "Моя работа" в Google Классе и нажать кнопку "Сдать"

ПЛАН

1 Назначение, области применения, классификация трансформаторов

2 Физические явления, лежащие в основе работы трансформаторов

3 Устройство и рабочий процесс однофазного трансформатора

4 Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Схема замещения и векторная диаграмма приведенного трансформатора

ЛЕКЦИЯ

1 Назначение, области применения, классификация трансформаторов

1.1 Назначение трансформаторов

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии одного напряжения и одной частоты в электрическую энергию другого напряжения той же частоты.

Такое преобразование необходимо во всех отраслях промышленности. В частности, в энергетике применение трансформаторов обеспечивает основное преимущество электрической энергии – возможность передачи ее на большие расстояния с минимальными потерями.

При передаче электроэнергии в линии электропередачи возникают потери энергии. Эти потери определяются по формуле

                                              (4.1)

где  - ток в линии передачи;

 - сопротивление проводов линии передачи

Мощность, передаваемая в линии передачи, определяется током и напряжением в ЛЭП

                                                 (4.2)

При относительно низком напряжении  ток в линии может быть весьма большим. Большой ток в проводах линии электропередачи в соответствии с (4.1) обусловливает значительные потери. Для уменьшении этих потерь при той же передаваемой мощности необходимо уменьшить ток в линии электропередачи. Для этого напряжение в ЛЭП должно быть повышено. Эта задача решается с помощью трансформатора (рис.4.2). Поэтому силовые трансформаторы являются необходимым элементом промышленных электрических сетей. В начале линии передачи со стороны генератора устанавливается повышающий трансформатор, который увеличивает напряжение в десятки раз, а в конце ЛЭП со стороны потребителей устанавливается понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до номинального напряжения потребителя.

Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока.

Рисунок 4.2 – Передача и использование электрической энергии

1.2 Области применения трансформаторов

В электротехнологии используются сварочные и печные трансформаторы.

Печные трансформаторы обеспечивают напряжение, необходимое для питания электродуговых и индукционных печей; сварочный трансформатор создает напряжение, необходимое для горения электрической дуги в процессе электрической сварки.

Кроме того, трансформаторы разных типов широко применяются в различных областях электротехники, электроники, электротехнологии, в устройствах измерения и контроля, автоматического управления и др.

Трансформаторы разных типов имеет разные особенности конструкции и обладают разными характеристиками. Однако в основе работы всех трансформаторов лежит один принцип – индукционное действие магнитного поля (явление электромагнитной индукции).

Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты. Силовые трансформаторы в выпускаются в основном на частоту 50 Гц.

1.3 Классификация трансформаторов

Трансформаторы классифицируют по нескольким признакам:

-· по назначению: силовые общего и специального назначения, импульсные, для преобразования частоты и т. д.

-· по числу трансформируемых фаз: однофазные и трехфазные;

-· по виду охлаждения: с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;

-· по форме магнитопровода- стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

-· по числу обмоток на фазу: двухобмоточные, многообмоточные

Классификация трансформаторов может быть представлена схематично

В соответствии с нормативными документами особенности конструкции трансформатора отражаются в обозначении его типа и систем охлаждения.

Тип трансформатора:

- Автотрансформатор (для однофазных О, для трехфазных Т) - А

- Расщепленная обмотка низшего напряжения - Р

- Защита жидкого диэлектрика с помощью азотной подушки без расширителя - З

- Исполнение с литой изоляцией - Л

- Трех обмоточный трансформатор - Т

- Трансформатор с РПН - Н

- Сухой трансформатор с естественным воздушным охлаждением (обычно вторая буква в обозначении типа), либо исполнение для собственных нужд электростанций (обычно последняя буква в обозначении типа) - С

- Кабельный ввод - К

- Фланцевый ввод (для комплектных ТП) – Ф

Системы охлаждения сухих трансформаторов:

- Естественное воздушное при открытом исполнении - С

- Естественное воздушное при защищенном исполнении - СЗ

- Естественное воздушное при герметичном исполнении - СГ

- Воздушное с принудительной циркуляцией воздуха - СД

Системы охлаждения масляных трансформаторов:

- Естественная циркуляция воздуха и масла - М

- Принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла - Д

- Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла - МЦ

- Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла - НМЦ

- Принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла - ДЦ

- Принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла - НДЦ

- Принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла - Ц

- Принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла - НЦ

Рисунок 4.1 - Силовой масляный трансформатор ТМ-160 (250) кВА

Системы охлаждения трансформаторов с негорючим жидким диэлектриком:

- Охлаждение жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха - НД

- Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха и с направленным потоком жидкого диэлектрика - ННД

Буквы и цифры в обозначениях типа трансформатора

I - А – автотрансформатор (трансформатор не имеет обозначения)

II - Т – трехфазный; О – однофазный; Р – наличие расщепленной обмотки НН

III - С – естественное воздушное при открытом исполнении; СЗ – естественное воздушное при защищенном исполнении; М – естественная циркуляция масла и воздуха и т.д.

IV - Т – трехобмоточный

V - Н – выполнение одной из обмоток с устройством РПН.

VI - В числителе дроби после буквенного обозначения типа указывается номинальная мощность трансформатора в кВА.

VII - В знаменателе указывается  номинальное напряжения обмотки ВН в кВ.

Расшифруйте тип трансформатора:

 ТМ – 250/10;                                        ТД – 10 000/35;

 ТДЦ – 80 000/35;                                 ТМТН – 6 300/35;

 ТДТН – 100 000/35;                            ТМН – 2 500/110;

 ТДН – 10 000/110;                              ТРДН – 25 000/110;

 ТРДЦН – 630 000/110                        ТЦ - 630 000/220;

ОРДЦ – 333 000/500;                          ОРЦ – 53 300/500;

АТДТН – 32 000/220;                         АТДЦТН – 125 000/220;

АОДЦТН – 167 000/500;                    ТСЗ – 10/0,66

2 Физические явления, лежащие в основе работы трансформаторов

Однофазный трансформатор работает на определённом законе, ввиду которого идущее в витке переменное электромагнитное поле наводит электродвижущую силу в расположенном рядом проводнике. Действие названо законом электромагнитной индукции, которое было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. В результате обоснования закона учёный создал общую теорию, используемую в работе огромного числа современных электрических приборов.

Иными словами, работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

·                     Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)

·                     Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Форма напряжения во вторичной обмотке связана с формой напряжения в первичной обмотке довольно сложным образом. Благодаря этой сложности удалось создать целый ряд специальных трансформаторов, которые могут выполнять роль усилителей тока, умножителей частоты, генераторов сигналов и т.д.

Исключение - силовой трансформатор. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

В случае силового трансформатора, работающего в схеме Преобразователя Мотовилова, он преобразует постоянный силовой ток первичной обмотки в постоянный силовой ток вторичной обмотки при прямоугольном переменном напряжении на обеих обмотках. Последнее выпрямляется в постоянное напряжение так, что на входе и выходе схемы Мотовилова действуют постоянные токи при постоянном напряжении.

3 Устройство и рабочий процесс однофазного трансформатора

3.1 Конструкция однофазного трансформатора

Любой однофазный трансформатор может работать только в цепях переменного тока. За счёт него полученное электрическое напряжение изменяется в нужную величину. Ток, полученный таким способом, повышается, в результате того, что мощность отдаётся в действительности без потерь. С этого и следует вывод, что основное использование такого прибора – вывести необходимое для решения задачи напряжение, после чего можно применять в определённых целях.

Вникнуть в работу прибора поможет детальный разбор конструкции трансформатора. Состоит он из следующих основных частей:

• Сердечник, состоящий из материалов с ферромагнитными свойствами;
• Две катушки, вторая находится на отдельном каркасе;
• Защитный чехол (имеется не у всех моделей).

Конструкция однофазного трансформатора представлена на рисунке 4.3

Рисунок 4.3 - Конструкция однофазного трансформатора

3.2 Рабочий процесс однофазного трансформатора

Электромагнитная схема простейшего идеального трансформатора показана на рис. 4.4. В таком трансформаторе магнитопроводом может быть прямоугольный ферромагнитный сердечник, на котором размещены две электрические обмотки. Каждая из обмоток имеет определенное количество витков ( и ), охватывающих стержни магнитопровода.

Рисунок 4.4 - Электромагнитная схема простейшего идеального трансформатора

Обмотка с числом витков  называется первичной обмоткой и подключается к зажимам фаза А – ноль N источника электроэнергии переменного напряжения .

Обмотка с числом витков w₂ называется вторичной. К зажимам вторичной обмотки подключается приемник электроэнергии с сопротивлением .

Под действием переменного напряжения  источника в первичной обмотке возникает первичный ток  . Этот ток, замыкаясь по виткам первичной обмотки, создает переменную магнитодвижущую силу (МДС) в магнитной цепи трансформатора. Под действием МДС возникает переменное магнитное поле.

При этом магнитный поток , замыкаясь по ферромагнитному сердечнику, пронизывает все витки обеих обмоток. Согласно закону электромагнитной индукции переменный магнитный поток  , пронизывая витки обмоток, индуктирует в каждом из них ЭДС индукции е. Положительное направление ЭДС одного витка е соотносится с направлением магнитного потока как обозначено на рис. 4.4 . При этом ее величина определяется скоростью изменения магнитного потока

Тогда в первичной обмотке с числом витков w₁ создается ЭДС индукции , пропорциональная числу витков :

                                                 (4.4)

а во вторичной обмотке с числом витков w₂ создается ЭДС , пропорциональная числу витков :

                                                     (4.5)

Вторичная ЭДС  определяет напряжение на зажимах вторичной обмотки , к которой подключен приемник, и ток приемника (вторичный ток)  .

Таким образом, приемник потребляет от трансформатора электрическую энергию.

Соотношение по величине между первичным и вторичным напряжениями называется коэффициентом трансформации:

Для того, чтобы определить это соотношение запишем уравнения по II закону Кирхгофа для электрических контуров первичной и вторичной цепей.

                                                             (4.7)

                                                             (4.8)

Уравнения (4.7), (4.8) называют уравнениями электрического состояния идеального трансформатора. Исходя из этих уравнений и с учетом (4.4), (4.5), коэффициент трансформации

т.е. коэффициент трансформации определяется соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток.

Если число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной (< ), вторичное напряжение меньше первичного ( < ) , коэффициент трансформации  > 1, и такой трансформатор называют понижающим трансформатором.

Если число витков вторичной обмотки больше, чем в первичной ( > ), вторичное напряжение больше первичного ( > ) , коэффициент трансформации  < 1, и такой трансформатор называют повышающим трансформатором.

Трансформатор с одинаковым числом витков в обеих обмотках обладает коэффициентом трансформации . Такой трансформатор называют разделительным.

Таким образом, трансформатор посредством магнитной связи двух обмоток в магнитной цепи преобразует электрическую энергию источника с напряжением  в электрическую энергию, отдаваемую приемнику с напряжением . При этом вторичное напряжение

                                                       (4.10)

Например, трансформатор, имеющий номинальное первичное напряжение , число витков первичной обмотки  витков и число витков вторичной обмотки  витков, обладает коэффициентом трансформации

(понижающий трансформатор) и создает вторичное напряжение

Для обозначения трансформатора в электрических схемах используют его условное графическое обозначение, показанное на рис. 4.5 .

Рисунок 4.5 - Условное графическое обозначение трансформатора в схемах электрических цепей (а – развернутое, б – упрощенное)

4 Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Схема замещения и векторная диаграмма приведенного трансформатора

В общем случае параметры первичной обмотки трансформатора отличаются от параметров вторичной обмотки. Эта разница наиболее ощутима при больших коэффициентах трансформации, что затрудняет расчеты и построение векторных диаграмм, так как в этом случае векторы электрических величин первичной обмотки значительно отличаются по своей длине от одноименных векторов вторичной обмотки. Указанные затруднения устраняются приведением всех параметров трансформатора к одинаковому числу витков, обычно к числу витков первичной обмотки w₁. С этой целью все величины, характеризующие вторичную цепь трансформатора, — ЭДС, напряжение, ток и сопротивления — пересчитывают на число витков w₁ первичной обмотки.

Таким образом, вместо реального трансформатора с коэффициентом трансформации k = w₁/w₂ получают эквивалентный трансформатор с k=w₁/w’₂=1, где w’₂=w₁. Такой трансформатор называют приведенным. Однако приведение вторичных параметров трансформатора не должно отразиться на его энергетических показателях: все мощности и фазовые сдвиги во вторичной обмотке приведенного трансформатора должны остаться такими, как и в реальном трансформаторе.

Так, электромагнитная мощность вторичной обмотки реального трансформатора Е₂I₂ должна быть равна электромагнитной мощности вторичной обмотки приведенного трансформатора

                                           (4.11)

Подставив значение приведенного тока вторичной обмотки I₂= I₂(w₂/w₁,) в (4.11), получим формулу приведенной вторичной ЭДС:

                     (4.12)

Так как , то приведенное напряжение вторичной обмотки

Из условия равенства потерь в активном сопротивлении вторичной обмотки имеем  . Определим приведенное активное сопротивление:

                                                   (4.14)

Приведенное индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки определяют из условия равенства реактивных мощностей ,откуда

                                               (4.15)

Приведенное полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора

                 (4.16)

Приведенное полное сопротивление нагрузки, подключенной на выводы вторичной обмотки, определим по аналогии с (4.16):

                                              (4.17)

Уравнения напряжений и токов для приведенного трансформатора имеют вид

                                           (4.18)

Эти уравнения устанавливают аналитическую связь между параметрами трансформатора во всем диапазоне нагрузок от режима х.х. до номинальной.

Еще одним средством, облегчающим исследование электромагнитных процессов и расчет трансформаторов, является применение электрической схемы замещения приведенного трансформатора. На рис. 4.6,а представлена эквивалентная схема приведенного трансформатора, на которой сопротивления r и х условно вынесены из соответствующих обмоток и включены последовательно им. Как было установлено ранее, в приведенном трансформаторе k = 1, а поэтому . В результате точки А и а, а также точки X и х на схеме имеют одинаковые потенциалы, что позволяет электрически соединить указанные точки, получив Т–образную схему замещения приведенного трансформатора (рис. 4.6, б). В электрической схеме замещения трансформатора магнитная связь между цепями заменена электрической.

Рисунок 4.6 - Эквивалентная схема (а) и схема замещения (б) приведенного трансформатора

Схема замещения приведенного трансформатора удовлетворяет всем уравнениям ЭДС и токов приведенного трансформатора (4.16) и представляет собой совокупность трех ветвей: первичной — сопротивлением Z₁ = r₁ + jx₁ и током ; намагничивающей — сопротивлением Z_m=r_m+jx_m и током ; вторичной — с двумя сопротивлениями: сопротивлением собственно вторичной ветви Z'₂ = r’₂ + jx'₂ и сопротивлением нагрузки Z'_H = r_н' ± jx'_H и током . Изменением сопротивления нагрузки Z'_H на схеме замещения могут быть воспроизведены все режимы работы трансформатора.

Параметры ветви намагничивания Z_m = r_m + jx_m определяются током х.х. Наличие в этой ветви активной составляющей r_m обусловлено магнитными потерями в трансформаторе.

Все параметры схемы замещения, за исключением Z'_H, являются постоянными для данного трансформатора и могут быть определены из опыта х.х. и опыта к.з.

Форма отчета: фото выполненной работы

Срок выполнения задания 19.01

Получатель отчета: Код курса y4k6gc2