Режимы работы трансформатора

В зависимости от величины сопротивления нагрузки трансформатор может работать в трех режимах:

1. Холостой ход при сопротивлении нагрузки zн = ∞.

2. Короткое замыкание при zн = 0.

3. Нагрузочный режим при 0 < zн < ∞.

Имея параметры схемы замещения, можно анализировать любой режим работы трансформатора. Сами параметры определяют на основе опытов холостого хода и короткого замыкания. При холостом ходе вторичная обмотка трансформатора является разомкнутой.

Опыт холостого хода трансформатора проводят для определения коэффициента трансформации, мощности потерь в стали и параметров намагничивающей ветви схемы замещения, проводят его обычно при номинальном напряжении первичной обмотки.

В нагрузочном режиме очень важно знать, как влияют параметры нагрузки на КПД и изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение активной мощности, передаваемой нагрузке, к активной мощности, подводимой к трансформатору.

КПД трансформатора имеет высокое значение. У силовых трансформаторов небольшой мощности он составляет примерно 0,95, а у трансформаторов мощностью в несколько десятков тысяч киловольт-ампер доходит до 0,995.

Определение КПД по формуле с использованием непосредственно измеренных мощностей P1 и P2 даёт большую погрешность. Удобнее эту формулу представить в другом виде:

где – сумма потерь в трансформаторе.

В трансформаторе имеются два вида потерь: магнитные потери, вызванные прохождением магнитного потока по магнитопроводу, и электрические потери, возникающие при протекании тока по обмоткам.

Так как магнитный поток трансформатора при U1 = const и изменении вторичного тока от нуля до номинального практически остаётся постоянным, то и магнитные потерив этом диапазоне нагрузок также можно принять постоянными и равными потерям холостого хода.

Электрические потери в меди обмоток ∆Pм пропорциональны квадрату тока. Их удобно выразить через потери короткого замыкания Pкн, полученные при номинальном токе,

Расчетная формул для определения КПД трансформатора:

где Sн – номинальная полная мощность трансформатора; φ2 – угол сдвига фаз между напряжением и током в нагрузке.

Максимум КПД можно найти, приравняв первую производную к нулю. При этом получим, что КПД имеет максимальные значения при такой нагрузке, когда постоянные (не зависящие от тока) потери P0 равны переменным (зависящим от тока), откуда

У современных силовых масляных трансформаторов βопт = 0,5 - 0,7. С такой нагрузкой трансформатор наиболее часто работает в процессе эксплуатации.

 

График зависимости η = f(β) изображен на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Кривая изменения КПД трансформатора в зависимости от коэффициента нагрузки

 

Внешней характеристикой трансформатора является зависимость при U1 = const и cosφ2 = const (рисунок 2). U₂₀ – напряжение холостого хода

Рисунок 2. Внешние характеристики трансформаторов средней и большой мощностей при различных характерах нагрузки

Видим, что графики почти линейны, это потому, что вторичное напряжение не сильно зависит от коэффициента нагрузки в силу относительно малого сопротивления провода обмоток, а рабочий магнитный поток мало зависит от нагрузки.

Нагрузочным режимом трансформатора называется режим, при котором вторичная обмотка замкнута на какое-либо сопротивление (рис. 3). При этом во вторичной обмотке будет проходить ток I2, который создает свой магнитный поток Ф2. Таким образом, при нагрузке трансформатора в нем будут действовать намагничивающие силы (сокращенно н. с.) двух обмоток, а в сердечнике его будет проходить магнитный поток, полученный действием н. с. обеих обмоток.

Согласно правилу Ленца магнитный поток вторичной обмотки стремится уменьшить поток первичной обмотки. Однако результирующий магнитный поток должен остаться постоянным (точнее, почти постоянным). Объясняется это тем, что индуктированная им э. д. с. Е1 при неизменном напряжении сети U1 должна остаться почти неизменной и почти равной напряжению U1 поскольку э. д. с. Е1 все время уравновешивается приложенным напряжением U1, а падение напряжения в обмотке невелико. Построим векторную диаграмму для режима идеального трансформатора в случае, когда к зажимам его вторичной обмотки подключено активное сопротивление Zнагр = Rнагр

Рис.3 Нагрузочный режим трансформатора

Режимом холостого хода трансформатора называют режим работы при питании одной из обмоток трансформатора от источника с переменным напряжением и при разомкнутых цепях других обмоток. Такой режим работы может быть у реального трансформатоpa, когда он подключен к сети, а нагрузка, питаемая от его вторичной обмотки, еще не включена. По первичной обмотке трансформатора проходит ток I₀, в то же время во вторичной обмотке тока нет, так как цепь ее разомкнута. Ток I₀, проходя по первичной обмотке, создает в магнитопроводе синусоидально изменяющийся лоток Ф₀, который из-за магнитных потерь отстает по фазе от тока на угол потерь δ.

Очевидно, что переменный магнитный поток Ф₀ пересекает обе обмотки трансформатора. В каждой из них возникают эдс: в первичной обмотке — эдс самоиндукции Е₁, во вторичной обмотке — эдс взаимоиндукции Е₂. Действующие значения этих эдс зависят от числа витков в обмотках, магнитного потока Ф₀ и частоты его изменения f. Величины эдс определяют по формулам:

Е₁ = 4,44fω₁Ф_{0 макс}10^-8В, Е₂ = 4,44fω₂Ф_{2 макс}10^-8В, где ω₁ и ω₂ — числа витков в обмотках;

f — частота, Гц;

Ф_{0 макс} — максимальное значение магнитного потока, Вб.

Е₁ / Е₂ = ω₁ / ω₂.

Это соотношение характеризует одно из основных свойств трансформатора: эдс в обмотках трансформатора пропорциональны количеству витков. Отношение числа витков ω₁ / ω₂ = k называют коэффициентом трансформации.

.

Электрические машины обладают свойством обратимости, в каждом трансформаторе и электромашинном преобразователе электрической энергии направление преобразования энергии может быть изменено на обратное. В трансформаторах одна из обмоток предусматривается для работы в качестве приемника электрической энергии (первичная обмотка), а другая (вторичная обмотка) – для отдачи энергии. Один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего, в зависимости от того, на какую обмотку ты подаешь напряжение.

Источник питания, работающий от переменного тока и предназначенный для ручной дуговой сварки, автоматиче­ской сварки под флюсом и электрошлаковой сварки, называ­ется сварочным трансформатором. Это устройство представ­ляет собой статический электромагнитный аппарат, основная функция которого — преобразование имеющегося в электри­ческой цепи напряжения (220 или 380 В) в более низкое на­пряжение вторичной электрической цепи, необходимое для возбуждения сварочной дуги и обеспечения ее горения.

Однофазный сварочный трансформатор той или иной конструкции. Трансформатор разделяет сварочную цепь и силовую сеть, понижает напряжение сети до необходимого для сварки значения, самостоятельно или в комплекте с дополнительными устройствами обеспечивает формирование требуемых статических внешних характеристик и регулирование сварочного тока. По этому основному узлу источники переменного тока часто называют просто сварочными трансформаторами.

Конструкции сварочных трансформаторов весьма разнообразны. В зависимости от способа регулирования сварочного тока их можно подразделить на три группы устройств:

· устройства, связанные с применением подвижных магнитопроводов и обмоток;

· устройства, связанные с подмагничиванием магнитопроводов постоянным током;

· устройства тиристорного регулирования;

Пик-трансформатор - это электрический трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Простейший пик-трансформатор имеет магнитопровод с разной толщиной стержней. Вторичная обмотка располагается на более тонком стержне. При протекании в первичной обмотке синусоидального тока в магнитопроводе возникает магнитный поток, который уже при малых значениях силы тока насыщает тонкий стержень магнитопровода, вследствие чего ЭДС, индуцированная во вторичной обмотке, имеет импульсный (пиковый) характер. Пик-трансформаторы используются как генераторы импульсов главным образом в исследовательских установках высокого напряжения, а также в устройствах автоматики.

Измерительный трансформатор – электромагнитное преобразующее устройство для контроля уровня напряжения или величины тока в высоковольтной сети. Он преобразует ток или напряжение до значения, удобного для измерения. Благодаря его наличию можно измерять ток, напряжение и мощность в высоковольтных цепях с помощью приборов, имеющих относительно небольшие пределы измерений. Кроме того, такой трансформатор изолирует измерительную цепь от первичной цепи высокого напряжения, обеспечивая тем самым безопасность измерений. В зависимости от измеряемого значения измерительные трансформаторы делят на трансформаторы тока и напряжения.

Классификация:

· По виду измеряемого значения:

трансформаторы напряжения; трансформаторы тока (переменного); трансформаторы постоянного тока.

· По количеству коэффициентов трансформации:

однодиапазонные; многодиапазонные.

· По способу установки:

внутренней установки; наружной установки; встроенные; накладные; переносные.

· По материалу диэлектрика:

масляные; газонаполненные; сухие

 

 

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора - вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками.

По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с

короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рассмотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.

 

 

В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя ротор, состоящий из вала и сердечника с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, называемая «беличье колесо», представляет собой ряд металлических, алюминиевых или медных стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон коротко замыкающими кольцами. Часто асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором имеют скошенные пазы на статоре или роторе. Скос пазов делают для того, чтобы уменьшить высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, снизить шум, вызываемый магнитными причинами, и устранить явление прилипания ротора к статору, которое иногда наблюдается в микродвигателях

.

Электрическая схема асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (а) и его условное графическое изображение (б): 1 — статор; 2 — ротор

 

 

Асинхронный двигатель с фазным ротором – это двигатель, который можно регулировать с помощью добавления в цепь ротора добавочных сопротивлений. Обычно такие двигатели применяются при пуске с нагрузкой на валу, так как увеличение сопротивления в цепи ротора, позволяет повысить пусковой момент и уменьшить пусковые токи. Этим асинхронный двигатель с фазным ротором выгодно отличается от АД с короткозамкнутым ротором.

Статор (3) выполнен, так же как и в обычном асинхронном двигателе, он представляет из себя полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, в который уложена трехфазная обмотка.

Ротор (4) по сравнению с короткозамкнутым, представляет из себя более сложную конструкцию. Он состоит из сердечника в который уложена трехфазная обмотка, аналогично обмотке статора. Отсюда название двигателя.

Если двигатель двухполюсный, то обмотки ротора смещены геометрически друг относительно друга на 120. Эти обмотки соединяются с тремя контактными кольцами (2), расположенными на валу (5) ротора. Контактные кольца выполнены из латуни или стали, причем друг от друга они изолированы. С помощью нескольких металлографитовых щеток (обычно двух), которые расположены на щеткодержателе (1) и прижимаются пружинами к кольцам, в цепь вводятся добавочные сопротивления. Выводы обмоток соединяются по схеме "звезда".

Электрическая схема асинхронного двигателя с фазным ротором (а) и его условное графическое изображение (б): 1 — статор; 2 — ротор; 3 — контактные кольца со щетками; 4 — пусковой реостат

Схемы соединения

 

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Принцип действия трехфазного АД с КЗ ротором основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля и расположенного в этом поле проводника. Вращающееся магнитное поле создается статором асинхронного двигателя, которая является неподвижной частью двигателя. Статор асинхронного электродвигателя представляет собой стальной сердечник, с пазами в которых расположена обмотки, намотанная медным изолированным проводом. Это поле пересекая обмотку ротора наводит в ней ЭДС. Под действием этой ЭДС по обмотке будет протекать ток. Этот ток будет взаимодействовать с магнитным потоком. Взаимодействие вращающего магнитного поля статора с током в роторе создает вращающий момент, за счет которого ротор будет вращаться в ту же сторону, что и поле, но с небольшим отставанием. Обмотки статора намотаны таким образом, что образуют три катушки, смещенные друг, относительно друга на 120°. Между собой их соединяют либо в «звезду», либо в «треугольник» и пропускают трехфазный переменный ток. При частоте тока 50 Гц, магнитное поле будет вращаться со скоростью 3000 об. /мин. Магнитное поле, образованное тремя катушками, называется двухполюсным. Особенностью асинхронного двигателя является то, что появление ЭДС в роторной обмотке ротора возможно только при различии частоты вращения магнитного поля ротора, обозначаемое букой n и магнитного поля статора n0. Разница n0 и n создает электромагнитный момента асинхронного двигателя. Характеризует эту разность скольжение S, определяемое по формуле:

 S=(n0-n)/ n0,где n0=60f/P синхронная частота вращения магнитного поля статора об/мин, f- частота питающей сети, Гц, p-число пар полюсов статора. В такой конструкции двигателя, магнитное поле статора опережает скорость вращения ротора. Т. е. поле ротора вращается асинхронно со скоростью вращения поля статора. Отсюда и пошло название двигателя асинхронный двигатель переменного тока. Если нагрузка на валу двигателя отсутствует, частота вращения поля ротора n, стремиться достичь частоты вращения поля ротора, но никогда не достигает ее, так как если n0-n=0, то и электромагнитный момент двигателя М будет равен 0.В паспорте и на шильдике асинхронного электродвигателя производитель указывает номинальную частота вращения двигателя, замеряемую при номинальной мощности. При увеличении нагрузки на валу двигателя, частота вращения двигателя уменьшается, а ток статора увеличивается. Асинхронные двигатели могут изготовляться с 1,2,3, 4,5,6 парами полюсов. Соответственно синхронная скорость вращения асинхронного двигателя соответственно будет составлять 3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 об/мин. На смену классической конструкции асинхронного двигателя приходят энергоэффективные конструкции асинхронных двигателей обладающие более высоким КПД и технико-экономическими показателями. Применение частотно-регулируемого привода в тандеме с энергоэффективными двигателями, позволит существенно улучшить энергетические показатели и снизить затраты на электроэнергию.