Электрические машины конспект лекций

Лекция I

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ХОЛОСТОЙ ХОД ТРАНСФОРМАТОРА

1.1. Определение и назначение трансформатора

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий энергию переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения той же частоты. Электромагнитные процессы в нагруженном трансформаторе в определенной степени аналогичны таким же процессам во вращающихся электрических машинах переменного тока. Поэтому трансформатор изучается в разделе «Электрические машины».

Роль трансформатора в современной технике весьма велика. Без трансформаторов были бы невозможны экономичные передача и распределение электрической энергии среди промышленных и бытовых потребителей. Кроме того, трансформаторы малых мощностей широко используются в схемах автоматического управления и регулирования производственных процессов, в радиотехнике, телевидении и т. д.

1.2. Устройство силового трансформатора

Основными рабочими частями обычного силового трансформатора (рис. 1.1) являются магнитная цепь (сердечник) и обмотки высшего и низшего напряжений.

Магнитная цепь трехфазного трансформатора, предназна- ченная для усиления магнитного поля, состоит из трех стержней,

11

Рис. 1.1. Общий вид и устройство трансформатора: 1 — магнитопровод; 2 — обмотка низшего напряжения НН (двухслойная цилиндрическая); 3 — обмотка высшего напряжения ВН (непрерывная); 4 — бак для масла; 5 — расширитель; 6 — маслоуказатель; 7 — пробка для заливки масла; 8 — переключатель числа витков обмотки ВН; 9 — привод переключателя; 10 — ââîä ÂÍ; 11 — ââîä ÍÍ; 12 — термометр; 13 — пробка для

спуска масла

замкнутых сверху и снизу ярмами. Как стержни, так и ярма выполняются из тонких листов специальной электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, изолированных друг от друга. Это делается для уменьшения вихревых токов. На стержни помещаются обмотки, сначала низшего напряжения (с меньшим числом витков, но с большим сечением провода), а сверху — высшего напряжения (с большим числом витков, но

12

с меньшим сечением провода). Концы обмоток и нулевой провод от нейтрали трансформатора присоединяются к выводным изоляторам, расположенным на крышке бака трансформатора.

Сердечник с обмотками помещается в бак, заливаемый специальным трансформаторным маслом с малой вязкостью и высокой электрической прочностью. Масло выполняет в трансформаторе две функции: повышает электрическую прочность изоляции обмоток и отводит тепло от рабочих частей трансформатора, нагревающихся при работе. Для облегчения циркуляции масла

èувеличения теплоотдачи в бак трансформатора снаружи ввариваются трубы. Трансформаторы малых мощностей выполняются без масла, с воздушным охлаждением. Для уменьшения поверхности соприкосновения масла с воздухом, а следовательно,

èдля сокращения количества продуктов окисления масла, а также для устранения возможности их попадания на обмотки трансформатора, трансформаторы мощностью не менее 100 кВА снабжаются маслорасширителями. Маслорасширитель представляет собою цилиндрический бачок, расположенный на крышке трансформатора и соединенный через трубопровод с баком. Масло заливается в трансформатор так, что уровень его при любой температуре находится в маслорасширителе.

ВОПРОСЫ

1.2.1.Можно ли сердечник трансформатора выполнить из алюминиевых листов?

а) можно; б) нельзя.

1.2.2.Можно ли заменить трансформаторное масло обыч- ным смазочным минеральным маслом?

а) нельзя; б) можно.

1.3. Принцип действия трансформатора

Рабочий процесс трансформатора проще всего изучать на примере однофазного трансформатора, так как трехфазный трансформатор представляет собою, в принципе, совокупность

13

e1 w1 d , dt

e2 w2 d , dt

т. е. в связи с различным числом витков в обмотках мгновенные, а следовательно, и действующие значения ЭДС будут различны. Поскольку напряжение на каждой из обмоток и индуктированная в ней ЭДС отличаются по величине незначительно (падение напряжения в самой обмотке мало), то напряжение U2 на выходе трансформатора будет отличаться от напряжения U1, подаваемого на вход трансформатора. Обмотка, к которой подводится напряжение, называется первичной, а обмотка, с которой снимается преобразованное напряжение, — вторичной.

ВОПРОСЫ

1.3.1. Будет ли индуктироваться ЭДС во вторичной обмотке трансформатора, если по первичной обмотке протекает установившийся постоянный ток?

а) будет; б) не будет.

14

1.3.2.Появится ли ЭДС во вторичной обмотке, если по первичной обмотке протекает неизменный по направлению, но меняющийся по величине (пульсирующий) ток?

а) появится; б) не появится.

1.3.3.Будет ли напряжение на первичной обмотке, если отключить ее от сети, а на вторичную обмотку подать переменное напряжение?

а) будет; б) не будет.

1.4. Холостой ход трансформатора

Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором вторичная обмотка разомкнута (см. рис. 1.2). На первичную обмотку подано напряжение U1, под действием которого по ней протекает ток холостого хода I0. Òîê I0 создает в сердечнике трансформатора основной поток Ф, замыкающийся целиком по сердечнику, и поток первичного рассеяния p1 , замыкающийся частично по сердечнику, частич- но — вне его и пронизывающий только первичную обмотку.

1.4.1. Электродвижущие силы обмоток трансформатора

Действующее значение ЭДС, индуктированной в первич- ной обмотке основным потоком Ф, определяется следующим образом.

Мгновенное значение ЭДС

e1 w1 d . dt

Учитывая, что мгновенное значение потока

m sin t,

ãäå Ôm — амплитуда магнитного потока, получим

15

Отсюда видно, что ЭДС e1 отстает по фазе от потока на чет-

верть периода, т. е. на угол . Максимальное значение этой ЭДС 2

(учитывая, что угловая частота 2f1 )

E1m 2f1 w1 m ,

ВОПРОСЫ

1.4.1.1.Если принять, что e1 E1m sin( t), то каково будет мгновенное значение Ф?

1.4.1.2.Как изменится Фm, если при неизменной E1 уменьшилась вдвое частота f1?

а) не изменится; б) увеличится вдвое;

в) уменьшится вдвое.

1.4.2. Коэффициент трансформации

Отношение

называется коэффициентом трансформации трансформатора. Если коэффициент трансформации больше единицы, трансформатор называется понижающим, если меньше — повышающим.

Практически коэффициент трансформации определяется путем измерения напряжений на обеих обмотках трансформатора при холостом ходе:

k U1 .

U 20

16

Эти напряжения называются номинальными напряжениями трансфоматора.

ВОПРОСЫ

1.4.2.1.Как изменится вторичное напряжение трансформатора при холостом ходе, если уменьшить на 10 % число витков первичной обмотки при неизменном первичном напряжении?

а) уменьшится на 10 %; б) не изменится; в) увеличится на 11,1 %.

1.4.2.2.Как изменится вторичное напряжение при холостом ходе, если уменьшить на 10 % число витков вторичной обмотки при неизменном первичном напряжении?

а) уменьшится на 10 %; б) не изменится; в) увеличится на 10 %.

1.4.3.Уравнение первичного напряжения при холостом ходе

Поток первичного рассеяния ð1 индуктирует в первичной обмотке ЭДС рассеяния E ð1 , которая может быть представлена в символической форме:

ãäå x1 — индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоком рассеяния.

Применяя к первичной цепи трансформатора 2-й закон Кирхгофа, получим

Уравнение (1.4) называется уравнением напряжений первичной цепи трансформатора при холостом ходе. Оно показывает, что первичное напряжение трансформатора может быть

представлено в виде двух составляющих: E1 , уравновешиваю-

17

эти составляющие далеко не равноценны. Падение напряжения

ВОПРОСЫ

1.4.3.1.Как изменится магнитная индукция в сердечнике трансформатора, если уменьшить на 20 % число витков первич- ной обмотки при неизменных первичном напряжении и частоте?

а) не изменится; б) уменьшится ~ на 20 %;

в) увеличится ~ на 25 %.

1.4.3.2.Как изменится магнитный поток в сердечнике трехфазного трансформатора, если первичную обмотку, не меняя линейного первичного напряжения, пересоединить с треугольника на звезду?

а) уменьшится ~ в 3 раз; б) увеличится ~ в 3 раз; в) не изменится.

1.4.4.Векторная диаграмма холостого хода трансформатора

На базе уравнения (1.4) может быть построена векторная диаграмма холостого хода трансформатора (рис. 1.3).

Магнитный поток Ф, созданный током холостого хода I 0 , èí-

обмотке, может быть получено, если к вектору E1 прибавить полное падение напряжения в первичной обмотке z1 I 0 , состоящее из активного (r1 I 0 ) и индуктивного ( jx1 I 0 ) падений напряжения.

ВОПРОСЫ

1.4.4.1. Начертите, не пользуясь пособием, векторную диаграмму трансформатора при холостом ходе. Объясните связь ме-

18