Основная классификация трансформаторов

Принцип действия трансформаторов основан на явлении электромагнитной индукции.

Основными элементами конструкции трансформатора являются первичные и вторичные обмотки и ферромагнитный магнитопровод (обычно замкнутого типа). Магнитопровод обычно состоит из набора металлических пластин, покрытых изоляцией, для предотвращения возникновения «паразитных» токов внутри магнитопровода.

Основная классификация трансформаторов.

· По назначению: измерительные трансформаторы тока, напряжения, защитные, лабораторные, промежуточные.

· По способу установки: наружные, внутренние, шинные, опорные, стационарные, переносные.

· По числу ступеней: одноступенчатные, многоступенчатые (каскадные).

· По номинальному напряжения: низковольтные, высоковольтные.

· По типу изоляции обмоток: c сухой изоляцией, компаундной, бумажно-маслянной.

Схема нагруженного трансформатора . Первичная обмотка подключается к источнику синусоидального напряжения. Ток в первичной обмотке или, точнее, МДС вызывает основной магнитный поток и магнитный поток рассеяния.

Изменяющийся магнитный поток пронизывает обмотки и согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ) в обмотках наводятся ЭДС и , выбранные положительные направления которых показаны на рис. 2.7. К вторичной обмотке подключен потребитель с сопротивлением (в комплексной форме), т.е. вторичная обмотка замкнута, и ток в ней вызывает МДС . Как видно из рис. 2.7, МДС направлена против МДС , т. е. поток вторичной обмотки направлен навстречу потоку первичной обмотки. Действительно, если предположить, что МДС создает поток , направленный так же, как и поток , то результирующий магнитный поток и ЭДС увеличатся. В результате мощность станет больше, чем мощность , подводимая из сети, что противоречит закону сохранения энергии. Таким образом, как бы ни была уложена вторичная обмотка, ее МДС всегда направлена противоположно МДС первичной обмотки. Этот же вывод следует из правила Ленца.

С изменением тока при неизменном изменяется ток , что следует из закона сохранения энергии. Например, при увеличении тока усиливается его размагничивающее действие, суммарный магнитный поток и, следовательно, ЭДС должны уменьшиться, но ток увеличивается так, чтобы получился поток первоначального значения.

Уравнение магнитодвижущих сил. Исходя из соображений, изложенных в п. 2.4.1, запишем МДС (для мгновенных значений)

где — мгновенное значение результирующей МДС обеих обмоток.

При неизменном действующем значении напряжений результирующий магнитный поток практически остается также неизменным в режимах от холостого хода до номинального, поэтому

или в комплексной форме

(2.5)

2. Трансформирование трёхфазного тока и схемы соединения обмоток. Потери и КПД трансформатора.

Трансформирование трехфазного тока осуществляется двумя способами: а) с помощью группы, состоящей из трех однотипных однофазных трансформаторов; б) с помощью трехфазного трансформатора.

Электрические схемы соединений обмоток или, как их называют, группы соединений, в обоих случаях одинаковы.

Первичные (меледу собой) и вторичные (между собой) обмотки трехфазного трансформатора или группы из трех однофазных трансформаторов могут соединяться звездой или треугольником.

Таким путем получаются четыре основных варианта соединений: звезда – звезда (условно обозначается (Y/Y); звезда – треугольник (Y/∆); треугольник – треугольник (∆/∆); треугольник – звезда (∆/Y).

При разных группах соединений получаются разные значения линейных коэффициентов трансформации (отношения первичного и вторичного линейных напряжений) и разные углы сдвига фаз между векторами этих напряжений: с этим связана практическая важность правильного выбора группы соединений.

Если обозначить:

то для основных четырех групп соединения обмоток трансформатора имеем:

Как видим, величина вторичного напряжения при трансформировании трехфазного тока зависит не только от соотношения чисел витков фазы k _ф, но и от группы соединения трансформатора.

На изображении ниже показаны схемы для двух групп соединений.

Начала обмоток высшего напряжения (ВН) обозначаются большими буквами А, В, С, а концы соответственно X, Y, Z. Обмотки низшего напряжения (НН) обозначаются малыми буквами: начала – а, Ь, с, а концы соответственно – x, y, z.

Векторные диаграммы, приведенные выше, показывают, как создаются углы сдвига фаз между первичными и вторичными линейными напряжениями. Для схемы, приведенной под категорией а) этот сдвиг равен нулю или, что равноценно, 360°; под категорией б) – 330°. Если поменять местами начала и концы вторичных обмоток (в схеме, приведенной под категорией а), перемкнуть концы a, b, c, оставив свободными x, y, z; в схеме, представленной под категорией б), соединить x с b, y с c; z с a), то в схеме, изображенной под категорией а), получим сдвиг между векторами U_л ₁, и U_л ₂, равный 180°, а на изображении под категорией б) – 150°. Меняя таким образом варианты основных соединений (звезда – треугольник) и точки начал и концов фаз, можно получить более десяти групп соединений.

Из них практически применяются три:

Схемы и векторные диаграммы их даны на изображении выше. Цифровой индекс в обозначениях групп соединений показывает сдвиг фаз между U_л ₁, и U_л ₂ – число градусов, деленное на 30.

При работе трансформатора в нем имеют место два вида потерь: магнитные и электрические.

Магнитные потери – это потери в магнитопроводе трансформатора. Они складываются из потерь на перемагничивание магнитопровода (гистерезис) и потерь на вихревые токи. Величина магнитных потерь зависит от квадрата магнитной индукции трансформатора, а также от частоты ее изменений.

Ввиду того, что магнитный поток при неизменных и f практически постоянен, то величина магнитных потерь также практически неизменна, т.е. не зависит от нагрузки трансформатора и равна потерям мощности холостого хода, .

Электрические потери

– это потери на нагрев обмоток трансформатора протекающими по ним токами: .

Величина электрических потерь зависит от нагрузки трансформатора.

Так как ,то

, (1.50)

где – коэффициент нагрузки;

– мощность потерь короткого замыкания.

Суммарные потери в трансформаторе

. (1.51)

Коэффициент полезного действия трансформатора представляет собой отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на его входе:

. (1.52)

Учитывая, что , имеем

. (1.53)

Так как , то уравнение КПД можно представить в следующем виде

, (1.54)

где – номинальная полная мощность трансформатора.

Значения и для силовых трансформаторов приводятся в соответствующих стандартах и каталогах.

Анализ уравнения (1.53) показывает, что η= f (β). Оптимальный коэффициент нагрузки , при котором КПД имеет максимальное значение, можно определить, взяв первую производную и приравняв ее к нулю.

При этом

;

(1.55)

или .

Следовательно, КПД имеет максимум при такой нагрузке, когда электрические потери в обмотках равны магнитным потерям в стали.

Из (1.55) имеем

. (1.56)

Для большинства трансформаторов 0,5÷0,7.

Зависимость η = f (β) при

const представлена на рисунке 1.13. В мощных трансформа-торах максимальное значение КПД может достигать весьма высоких значений (0,98–0,99). В трансформа-торах малой мощности ηmax может снижаться до 0,6 при до 10 ВА.