Трансформаторы, назначение, принцип действия, устройство

Первый раз в течение 6 семестра изучают все содержание дисциплины «Электрические машины», в следующий раз во второй половине 6 семестра они вновь возвращаются к этому материалу углубляя и расширяя свои знания за счет выполнения расчетно-графических работ и сдают зачет. В третий раз в 7 семестре они вновь возвращаются к содержанию учебного материала всего курса дисциплины и выполняют практикум по решению ситуационных задач по темам дисциплины, решают тесты по всему курсу и сдают экзамен по дисциплине. В таблице 1. представлена модель реализации первого варианта первой модели концентрированного обучения по дисциплине «Электрические машины».

 

Таблица 1.

 

№ семестра	6 семестр  1 половина	6 семестр  2 половина	7 семестр  1 половина
Дисциплина	Электрические машины (50 часов)	Электрические машины (50 часов)	Электрические машины (50 часов)

 

 

 

2.2 Расчет по 2-му варианту  первой модели концентрированного  обучения.

Дисциплина «Электрические машины» изучается 150 часов в профессиональных учебных заведениях, в соответствии с рабочей программой. Учебный день содержит 6 уроков или один учебный блок продолжительностью 6 часов. Студенты будут изучать электротехнику ее три раза по 50 часов в неделю (150 ч / 6 ч — 25) дней или 25 / 5 ч — 5 недель. Второй вариант первой модели представлен в таблице 2.

Таблица 2 Второй вариант  первой модели концентрированного обучения по дисциплине «Электротехника»

Таблица 2.

 

№ недели	1-5	6-10	11-17	….	36
Дисциплина			Электрические машины (150 часов)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тематический  план

1. Лекция на тему: «Трансформаторы, назначение, принцип действия, устройство» 1x40 мин.
2. Самостоятельная работа: решение задач и заполнение листов рабочей тетради по теме: «Трансформаторы, назначение, принцип действия, устройство» 2x40 мин.
3. Практическая работа: решение ситуационных задач по теме: «Трансформаторы, назначение, принцип действия, устройство» 1x40 мин.
4. Зачет по теме: «Трансформаторы, назначение, принцип действия, устройство» в виде индивидуального тестирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция на тему – «Трансформаторы, назначение, принцип действия, устройство»

- Трансформаторы

- Назначение и области  применения трансформаторов

- Принцип действия  трансформаторов

- Устройство трансформаторов

ТРАНСФОРМАТОРЫ

 

Трансформаторы широко применяются в системах передачи и распределения электроэнергии. Известно, что передача электроэнергии на дальние расстояния осуществляется при высоком напряжении (до 500 кВ и более), благодаря чему значительно уменьшаются электрические потери в линии электропередачи. Получить такое высокое напряжение в генераторе невозможно, поэтому электроэнергия после генератора подается на повышающий трансформатор, в котором напряжение увеличивается до требуемого значения. Это напряжение должно быть тем выше, чем больше протяженность линии электропередачи и чем больше передаваемая по этой линии мощность. Например, при передаче электроэнергии мощностью 10⁶ кВт на расстояние 1000 км необходимо напряжение 500 кВ. В местах распределения электроэнергии между потребителями устанавливают понижающие трансформаторы, которые понижают напряжение до требуемого значения. И, наконец, в местах потребления электроэнергии напряжение еще раз понижают посредством трансформаторов до 220, 380 или 660 В. При таком напряжении электроэнергия подается непосредственно потребителям — на рабочие места предприятий и в жилые помещения. Таким образом, электроэнергия переменного тока в процессе передачи от электростанции к потребителям подвергается трех-, а иногда и четырехкратному трансформированию. Помимо этого основного применения трансформаторы используются в различных электроустановках (нагревательных, сварочных и т. п.), устройствах автоматики, связи и т.д.

 

Рабочий процесс трансформатора

Назначение и области применения трансформаторов

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться от первичной любыми параметрами: значениями напряжения и тока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют значения переменного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными.

В зависимости от назначения трансформаторы разделяют на силовые трансформаторы общего назначения и трансформаторы специального назначения. Силовые трансформаторы общего назначения применяются в линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроустройствах для получения требуемого напряжения. Трансформаторы специального назначения характеризуются разнообразием рабочих свойств и конструктивного исполнения. К этим трансформаторам относятся печные и сварочные трансформаторы, трансформаторы для устройств автоматики (пик-трансформаторы, импульсные, умножители частоты и т.п.), испытательные и измерительные трансформаторы и т. д.

При изучении данного раздела будем  иметь в виду силовые трансформаторы общего назначения, за исключением  гл. 5, в которой рассмотрены некоторые  виды трансформаторов специального назначения.

Принцип действия трансформаторов

Простейший силовой  трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного  материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 1.1, а). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U₁. К другой обмотке,

Рис. 1.1. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы трансформатора

 

называемой вторичной, подключен потребитель Z_н. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Действие  трансформатора основано на явлении  электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуцирует в них ЭДС:

в первичной  обмотке ЭДС самоиндукции

e₁ = –w₁(dФ/dt), (1.1)

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции

е₂ = –w₂(dФ/dt), (1.2)

где w₁ и w₂ — число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении  нагрузки Z_н к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U₂. В повышающих трансформаторах U₂ > U₁, а в понижающих U₂ < U₁.

Из (1.1) и (1.2) видно, что  ЭДС е₁ и е₂, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга лишь за счет разного числа витков w₁ и w₂ в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор практически на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН).

На рис. 1.1, б показано изображение однофазного  трансформатора на принципиальных электрических схемах.

Трансформаторы  обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо — понижающий.

Трансформатор — это аппарат переменного  тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению [(dФ/dt)=0], поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам:

по назначению – силовые общего и специального назначения, импульсные, для преобразования частоты и т.д.;

по виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением (см. § 1.3);

по числу трансформируемых фаз – однофазные и трехфазные;

по форме магнитопровода — стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

по числу обмоток на фазу — двухобмоточные, многообмоточные.

Устройство трансформаторов

Современный трансформатор  состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с насаженными  на его стержни обмотками составляет активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными (вспомогательными) частями. Рассмотрим подробнее конструкцию основных частей трансформатора.

Магнитопровод. Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т. е. он состоит из тонких (обычно толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а, следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.

Силовые трансформаторы выполняются  с магнитопроводами трех типов: стержневого, броневого и бронестержневого.

Рис. 1.3. Форма сечения  стержней:

а – трансформаторов  малой и средней мощности;

б – трансформаторов  большой мощности

 

В магнитопроводе стержневого типа (рис. 1.2, а) вертикальные стержни 1, на которых расположены обмотки 2, сверху и снизу замкнуты ярмами 3. На каждом стержне расположены обмотки соответствующей фазы и проходит магнитный поток этой фазы: в крайних стержнях — потоки Ф_А и Ф_с, а в среднем стержне — поток Ф_в. На рис. 1.2, б показан внешний вид магнитопровода. При этом стержни имеют ступенчатое сечение, вписываемое в круг диаметром d (рис. 1.3). Стержни трансформаторов большой мощности имеют много ступеней, что обеспечивает лучшее заполнение сталью площади внутри обмотки. Для лучшей теплоотдачи иногда между отдельными пакетами стержня оставляют воздушные зазоры шириной 5—6 мм, служащие вентиляционными каналами.

Рис. 1.4. Однофазный трансформатор броневого типа: а- устройство; б- внешний вид

Магнитопровод броневого типа представляет собой разветвленную конструкцию со стержнем и ярмами, частично прикрывающими («бронирующими») обмотки (рис. 1.4). Магнитный поток в стержне магнитопровода броневого типа в два раза больше, чем в ярмах, каждое из которых имеет сечение, вдвое меньшее сечения стержня. Из-за технологической сложности изготовления магнитопроводы броневого типа не получили широкого распространения, их применяют лишь в силовых трансформаторах весьма малой мощности (радиотрансформаторы).

Рис. 1.5. Магнитопроводы бронестержневых трансформаторов: а — однофазного; б — трехфазного

В трансформаторах большой  мощности применяют бронестержневую  конструкцию магнитопровода (рис. 1.5), которая хотя и требует несколько  повышенного расхода электротехнической стали, но позволяет уменьшить высоту магнитопровода (Н_БС < Н_С), а следовательно, и высоту трансформатора. Это имеет большое значение при транспортировке трансформаторов.

По способу  сочленения стержней с ярмами различают  стыковую и шихтованную конструкции стержневого магнитопровода (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Стыковая (а) и  шихтованная (б) конструкции магнитопроводов

При стыковой конструкции (рис. 1.6, а) стержни и ярма собирают раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем приставляют верхнее и нижнее ярма, заранее проложив изолирующие прокладки между стыкующими элементами, с целью ослабления вихревых токов, возникающих при взаимном перекрытии листов стержней и ярм. После установки двух ярм всю конструкцию прессуют и стягивают вертикальными шпильками. Стыковая конструкция хотя и облегчает сборку магнитопровода, но не получила распространения в силовых трансформаторах из-за громоздкости стяжных устройств и необходимости механической обработки стыкующихся поверхностей для уменьшения магнитного сопротивления в месте стыка.