Тема:Трансформатори

1.Призначення та класифікація трансформаторів.

2.Будова та принцип дії трансформатора.

3.Параметри та режими роботи трансформатора.

4. Спеціальні трансформатори

1.Призначення та класифікація трансформаторів.

Необхідність передачі на велику відстань спричинила створення єдиних енергетичних систем. У лініях електропередач втрачається від 10 до 15% електричної енергії, що виробляється. Щоб зменшити ці втрати , необхідно зменшити силу струму ( втрати пропорційні квадрату силі струму), тобто підвищити напругу до сотень тисяч вольт. Підвищення напруги у процесі передачі електричної енергії та зменшення для її використання здійснюється трансформатором.

У1876 р перший трансформатор побудував російський винахідник Яблочков.

Трансформатори – статичний електромагнітний апарат, який призначений для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги тієї ж частоти та потужності.

Класифікують трансформатори

по числу фаз:

-однофазні;

-трифазні;

по числу обмоток:

-двухобмоточні;

-багатообмоточні;

по способу охолодження:

-масляні;

-сухі.

за призначенням:

- автотронсформатори

- зварювальні трансформатори

- вимірювальні

2.Будова та принцип дії трансформатора.

Однофазний трансформатор складається з двох обмоток (перви­нної і вторинної) з числом витків w₁ і w₂ . До первинної з числом витків w₁ обмотки підводиться напруга мережі, до вторинної обмотки під’єднуються споживачі електричної енергії.

Обидві обмотки намотуються на магнітопровід, який призна­чений для підсилення електромагнітного зв’язку між первинною і вторинною обмотками трансформатора. Для зменшення втрат на вихрові струми магнітопровід трансформатора набирають із тонких (ізольованих одна від одної тонким папером, лаком або окалиною) листів слабовуглицевої сталі (електротехнічної).

 

Магнітопроводизбираються із листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 або 0,35 мм. Сталь у своєму складі має кремній , що підвищує електричний опір і не впливає на магнітний. Перед збиранням листи ізолюють лаком. Електротехнічна сталь відноситься до магнітом’яких матеріалів – феромагнітних матеріалів з вузькою петлею Гистерезісу, що зумовлює незначні витрати енергії на перемагнічування.

Магнітопровід буває трьох типів:

- стержньове (рис.а)

- броньове (рис.б)

- тороїдне (рис.в)

Стержньове осердя набирають із П – подібних ізолбваних пластин трансформаторної сталі П20 х 45

П – тип осердя

20- ширина стержня, мм

45 – товщина пакету, мм

Броньове осердя набирається із Ш – подібних пластин. Обмотки розташовують концентрично на центральному стержні Ш 20х45

Ш –тип осердя (броньовий)

20- ширина центрального стержня, мм

45 – товщина пакету, мм

Тороїдне осердя виготовляють не шихтованим О 60х40х10

О- тип осердя (тороїдне)

60 – зовнішній параметр тора мм

40 – внутрішній параметр тора мм

10 – висота тора мм

Осердя усіх типів можут виготовлятись із феромагнітної стрічки . це більш технологічне виконання у цьому раз до позначень додається літера Л Н: ПЛ, ШЛ, ЛО

Обмотки та їх конструкція повинні мати малі втрати, висову ізоляцію, високу механічну жорсткість та їх охолодження .

Обмотки виготовляють із міді та алюмінію, круглого та прямокутного перерізу, ізольовані лаком або кабельним папером .

Одна з обмоток трансформатора, яка розрахована на більшу напругу, називається обмоткою вищої напругиВН, інша – обмоткою нижчої напруги НН.

В залежності від їх розташування розрізняють концентричні та дискові обмотки .

Охолодження трансформатора . Втрати енергії в осерді та обмотках трансформатора є причиною виділення теплоти одна частина яку нагріває трансформатор а інша передається в навколишнє середовище.

Для трансформаторів малої потужності застосовують природне повітряне охолодження а для трансформаторів великої потужності - масляне охолодження.

На феромагнітному осерді (магнітопровід) розміщають дві обмотки одну із них вмикають в мережу із змінним струмом U₁ – первинну з числом витків w₁ , обмотку з якої знімають напругу U₂ наз.- вторинною зчислом витків w₁ .

Принцип дії трансформатора грунтується на принципу електромагнійноїіндукції. При підключенні трансформатора до мережі змін­ного струму з напругою U₁ в первинній обмотці проходить струм і₁. Під дією намагнічувальної сили збуджується змінний в часі магнітний потік. В основу роботи трансформатора покладено закон електро­магнітної індукції, у відповідності з яким пронизуючий обмотки трансформатора основний магнітний потік індукує в них е.р.с. е₁ і е₂, якщо до вторинної обмотки під’єднати споживача електричної енергії (навантаження), то під дією е.р.с. е₂ по цій обмотці протікатиме змінний струм і₂. Так здійснюється (за допомогою змінного магнітного потоку) передача енергії з первинної обмотки у вторинну.

3.Параметри та режими роботи трансформатора.

Важливою характеристикою трансформатора є коефіцієнт трансформації, котрий визначається як відношення вищої напруги до нижчої в режимі холостого (неробочого) ходу.

Коєфіціентом трансформації називають відношення напруги первинної та вторинної обмоток .

U₁/U₂ = w₁/w₂ = Е₁/Е₂ = K

Якщо К >1, то трансформатор називається знижуючим, а при К<1 – підвищуючим.

Фазний коефіцієнт трансформації – відношення фазних напруг первинної та вторинної обмоток у режимі холостого ходу

Лінійний коефіцієнт трансформації – це відношення лінійних напруг в режимі холостого ходу.

ККД трансформатора при номінальному навантаженні визначають відношенням активних потужностей на виході та на вході трансформатора.

η = (Р₂ /Р₁)

Втрати потужності в трансформаторі не більше 4 %

Кожний трансформатор має номінальні значення :потужність, напруги, струми, частота і т.д.

Номінальні значення характеризують роботу трансформатора в умовах на які він розрахований для нормальної роботи.

Номінальна потужність – це потужність на виходу з трансформатора.

Номінальна напруги первинної та вторинної обмоток – це напруга на відповідних обмотках при холостому ході трансформатора.

Номінальні струми первинної та вторинної обмоток – це струми що визначенні по номінальній потужності і номінальним напругам.

Режими роботи трансформатора :

Рехим холостого ходу (неробочий режим) – первинна обмотка підключена до напруги а вторинна обмотка не під’єднана до споживажа.

I_x = I₁ ; І₂ =0 ; Р₂=0.   I_x = I₁ + I₂ (w₂/w₁)  I_x-струм холостого ходу,А;  І₁,І₂ –струм первинної та вторинної обмоток.

 

Робочий режим – первинна обмотка включена в мережу а вторинна обмотка приєднана до навантаження. В обох обмотках протікають струми I₁ ; І

 

Режим короткого замикання - первинна обмотка включена в мережу а вторинна обмотка замкнута на себе. При цьому струм різко зростає в десятки раз в обох обмотках

U₂ =0 ; U₁ =U_к

4. Спеціальні трансформатори

 Трансформатори використовують в електричних мережах при передачі та розподілу електро енергії, в нагрівних, зварювальних установках

 Загальна схема електрозабезпечення має вид:

 Після генератора Г встановлений підвищувальний трансформатор Тр1, а в кінці лінії електропередачі ЛЕП – знижувальний трансформатор Тр2, який живить навантаження Н.

 Трансформатори, що використовуються в системі електропостачання споживачів, називаються силовими.

Трифазні трансформатори виготовляють головним чином стержньовими. Для магнітопроводу досить мати три стержні, які з конструктивних міркувань розміщуються в одній площині. На кожному стержні трифазного трансформатора розміщуються обмотки вищої й нижчої напруг однієї фази. Стержні з’єднуються між собою ярмом зверху і знизу.Обмотки трифазних трансформаторів можуть бути з’єднані зіркою або трикутником. У разі з’єднання обмоток зіркою кінці (або початки) трьох фаз з’єднуються у спільній точці, утворюючи нейтральну або нульову точку, а вільні затискачі початків (або кінців) трьох фаз приєднується до трьох проводів мережі джерела (або приймача) електричної енергії змінного струму.

Трифазний струм можна трансформувати трьома однофазними або одним трифазним трансформатором.

Обмотки трифазного трансформатора можуть включатись по схемі зірка або трикутний. Фази первинної обмотки позначають А В С початки X Y Z а вторинної а в с; x y z . У разі з’єднання обмоток трикутником початок першої фази з’єднується з кінцем другої, початок другої фази – з кінцем третьої, початок третьої фази з кінцем першої.

Y/ Y зірка - зірка   Y / Δ зірка - трикутник    Y / Yo зірка – зірка з нульовим проводом

 

Для регулювання напруги в невеликих межах і для пуску двигунів змінного струму великої потужності використовують авто­трансформатори. В автотрансформаторах між первинною і вторинною обмотками існує не тільки магнітний , а й електричний зв’язок. Автотрансформатори малої потужності (0,5-7,5 кВА) з плавним регулюванням напруги широко використовують в лабораторіях. Недоліки: наявність електричного зв’язку між первинною і вторинною мережами дає можливість попадання високої напруги в коло низької напруги.  В автотронсформаторів первинна і вторина обмотки зв’язані електрично , тобто обмотка низької напруги є частиною обмотки високої напруги. Ах – первинна обмотка ах – вторинна обмотка

 

В електронних системах широко використовують трансфор­матори малої потужності (10-60 ВА) з декількома вторинними обмотками дня живлення ізольованих одне від одного кіл, які мають різні номінальні напруги. Багатообмоткові трансформатори мають кілька обмоток вторинних з різною кількістю витків.

 

Вимірювальні трансформатори використовуються для розши­рення меж вимірювань вимірювальних приладів змінного струму, а також для ізоляції цих приладів від кола високої напруги. Вимірювальні трансформатори поділяються на трансформатори струму і трансформатори напруги

Вимірювальний трансформатор струму ВТС — трансформатор, який призначений для перетворення струму до значення, зручного для виміру. Первинна обмотка трансформатора струму включається послідовно у ланцюг зі змінним струмом, що вимірюється. А у вторинну включаються вимірювальні прилади. Струм, що протікає по вторинній обмотці трансформатора струму, пропорційний струму, що протікає у його первинній обмотці. Трансформатори струму широко використовуються для вимірювання електричного струму й у пристроях релейного захисту електроенергетичних систем, у зв'язку з чим на них накладаються високі вимоги по точності. Трансформатори струму забезпечують безпеку вимірювань, ізолюючи вимірювальні ланцюги від первинного ланцюга з високою напругою, яка часто складає сотні кіловольт. Зазвичай, трансформатор струму виготовляється з двома і більше групами вторинних обмоток: одна використовується для підключення пристроїв захисту, інша, точніша — для підключення засобів обліку і вимірювання (наприклад, лічильників електроенергії).

Вимірювальний трансформатор напруги ВТН— вимірювальний трансформатор, у якому за нормальних умов використання вторинна напруга пропорційна первинній напрузі та за умови правильного вмикання зсунена відносно неї за фазою на кут, близький до нуля. Трансформатор напруги використовується для перетворення високої напруги в низьку в колах релейного захисту та контрольно-вимірювальних приладів і автоматики. Застосування трансформатора напруги дозволяє ізолювати логічні кола захисту і кола вимірювання від кіл високої напруги.

Зварювальні трансформатори використовуються для електро­дугового зварювання. Регулювання зварювального струму може здійснюватись перемиканням секцій обмоток трансформатора або зміненням індуктивного опору дроселя, який залежить від величини повітряного зазору. При цьому зі збільшенням повітряного зазору в магнітопроводі дроселя, опір що індукується зменшується, зварюваль­ний струм збільшується.

 

Поняття про поворотні трансформатори. Поворотним (обер­товим) трансформатором називається індукційна мікромашина змін­ного струму, призначена для одержання вихідної (вторинної) напруги, амплітуда і фаза якого відносно вхідної (первинної) напруги функці­онально залежать від кута повороту ротора. Поворотні трансфор­матори дозволяють вирішувати багато алгебраїчних, геометричних і тригонометричних задач, пов’язаних з побудовою трикутників, творенням координат, розкладанням і побудовою векторів, а також можуть виконувати функції сельсинів. Тому вони широко застосо­вуються у лічильно-обчислювальних пристроях, у різних схемах автоматики й у системах автоматичного регулювання як вимірники неузгодженості.

Конструктивно поворотні трансформатори незначно відрізня­ються від трифазного асинхронного мікродвигуна з фазним ротором. Залежно від способу з’єднання обмоток статора виготовляються і застосовуються поворотні трансформатори як з обертовим ротором, гак і з ротором, що може повертатися щодо статора на деякий обмежений кут. Електричний контакт у трансформаторі з обертовим ротором здійснюється за допомогою контактних кілець і щіток, а в трансформаторі з обмеженим поворотом ротора (і вбудованим чи прибудованим для цієї мети редуктором) – за допомогою спіральних пружин. У пазах сердечників статора і ротора поворотного трансфор­матора розташовують по дві розподілених однофазних обмотки, зміщених у просторі один відносно іншого на кут 90°.

Принцип дії поворотного трансформатора заснований на явищі взаємоіндукції. Оскільки при повороті ротора взаємна індуктивність між обмотками статора і ротора змінюється, е.р.с. у вторинних обмотках трансформатора, індуковані пульсуючим магнітним полем однофазної обмотки збудження, також будуть змінюватися у визначеній функціональній залежності від кута повороту ротора. При повороті ротора трансформатора його вихідна (вторинна) напруга змінюється за законом синуса і косинуса (при двох вихідних напругах) чи лінійно. Тому поворотні трансформатори підрозділяються на синусно-косинусний і лінійний типи.