Предисловие

В учебном пособии представлены основные законы электродинамики, используемые при изучении, проектировании и исследовании наиболее распространенных устройств электромеханики — электрических машин. Их основные типы (машины постоянного и переменного тока, трансформаторы) представлены более подробно: устройство основных частей, варианты исполнения, принцип работы, эксплуатационные характеристики, возможности регулирования, сервисное обслуживание.

Материал размещен по разделам, посвященным отдельным занятиям. Каждый раздел подробно иллюстрирован.

Для более глубокого изучения дисциплины в конце пособия изложен список рекомендованной литературы.

Пособие предназначено для учащихся средних и высших учебных заведений технических специальностей, требующих определенного представления об устройствах электромеханики, используемых в системах электропривода и электроснабжения.

ЗАНЯТИЕ №1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

О ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

1. Вводная часть

1.1. Назначение занятия

Занятие предназначено для изучения маршрута электрической энергии от вырабатывающего её генератора и далее после преобразования напряжение в более высокое по линии электропередачи к потребителю и места электрических машин в электроэнергетических системах, функций, выполняемых генераторами, трансформаторами и электродвигателями, характера взаимодействия между ними. Напоминаются законы Ампера и электромагнитной индукции, на основе которых строятся электрические машины и трансформаторы. В процессе проведения занятия обучаемые знакомятся с типовой конструктивной схемой машины, с характерными признаками конструкции и рабочих свойств наиболее часто встречающихся электрических машин (постоянного тока, синхронных и асинхронных).

1.2. Цели занятия

В конце обучения по данному занятию обучаемый должен быть способен:

• Формулировать задачи, решаемые в системе электроснабжения отдельными типами электрических машин и трансформаторов;

• Объяснять, почему электрические машины и трансформаторы относят к электромагнитным устройствам, как в них используются физические законы электромеханики;

• Объяснять, в чем состоит свойство обратимости электрической машины или трансформатора, определять номинальные данные электрической машины;

Рис. 1.1. Структура занятия

• Объяснять физический смысл мощности электрической машины, потерь мощности и её коэффициента полезного действия, рассчитать потребляемую и полезную мощность трансформатора;

• Дать классификацию типов электрических машин и трансформаторов.

Рис.1.2. Цели проведения вводного занятия

2. Основная часть

2.1. Общие сведения по электрическим машинам

и трансформаторам

Современному человеку трудно представить себе жизнь без электрической энергии. Везде, где она используется, жизнь людей становится комфортной, а труд – легче и производительнее. Несложные наблюдения подтверждают, что только один киловатт мощности, подведенный к производственному механизму, может заменить ручной труд двадцати и более человек.

Электрическую энергию можно получить, только преобразовав в неё другой, более доступный вид энергии. Эта задача решается на электрических станциях. На всех электростанциях электроэнергия вырабатывается электрическим машинами – генераторами. Для этого используются, как правило, трехфазные синхронные генераторы.

Простая и типичная система электроснабжения схематически показана на рис. 1.3.

Рис.1.3. Схема простой системы электроснабжения:

Г — генератор; Тр1 — повышающий трансформатор;

Тр2 — понижающий трансформатор; Э/д — электродвигатель

Полученная генераторами (Г) энергия передается к местам её потребления по проводам линии электропередачи. Для уменьшения сечения и веса проводов электрическую энергию стремятся передавать при минимально возможных токах. Если вспомнить, что мощность (Р) при этом выражается произведением напряжения (U) на ток (I), то можно записать:

, откуда следует , (1.1)

Поэтому при передаче большой мощности приходится значительно повышать напряжение в линии (до 500кВ и выше). С этой целью генератор соединяют с линией электропередачи через повышающий трансформатор (Тр1). В конце же линии устанавливают другой трансформатор (Тр2), который понижает напряжение до номинального значения напряжения потребителей (10кВ; 0,4кВ и др.). Повышающие и понижающие трансформаторы не отличаются по устройству и называются силовыми.

Около 70 % всей вырабатываемой электрической энергии на месте её потребления с помощью электродвигателей преобразуется в механическую энергию. Поэтому электродвигатели (Э/д) считаются основными потребителями электрической энергии. Они приводят в движение различные производственные механизмы, элементы аппаратуры или приборов и т.п. Современные электродвигатели отличаются по роду тока, по мощности, частоте вращения ротора, возможностям регулирования. В отличие от других типов двигателей (тепловых, внутреннего сгорания и др.) они имеют высокий коэффициент полезного действия, компактны, просты в обслуживании, не загрязняют окружающую среду. Электродвигатели долговечны, надежны и имеют сравнительно невысокую стоимость. Они позволяют рационально решать задачу так называемого многодвигательного привода, когда отдельные звенья сложного производственного механизма приводятся в движение отдельными двигателями, что упрощает кинематику механизмов.

Рабочие процессы в трансформаторах и в электрических машинах протекают по одним и тем же законам электротехники, имеют очень много общих признаков. Поэтому их изучают обычно совместно.

Преобразование энергии в современных электрических машинах осуществляется посредством магнитного поля. Такие машины называют индуктивными или электромагнитными. В них используются два важных закона электротехники: закон электромагнитной индукции и закон Ампера. Схематически суть этих законов показана на рис. 1.4.

а) б)

Рис.1.4. Законы электротехники, используемые

в электрических машинах:

а) — наведение ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле; б) — действие силы на проводник с током в магнитном поле

Здесь показаны: 1 – проводник; 2 – магнитные; В – индукция магнитного поля (его направление условно показано стрелками вниз).

Закон электромагнитной индукции. Если проводник l перемещается в магнитном поле В со скоростью v, то в нем наводится ЭДС (Вольт)

Согласно закону электромагнитной индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле со скоростью v, индуктируется электродвижущая сила (ЭДС), которую можно вычислить:

, (1.2)

где B – индукция магнитного поля, Тл; l – длина проводника, м; v – скрость перемещения проводника, м/с;  – угол между направлением силовых линий поля и направлением движения проводника.

Графически и математически этот закон показан на рис. 1.4а). Выражение (1.4) показывает, что ЭДС будет максимальна, если во время движения проводник пересекает силовые линии поля под прямым углом ( = 90).

Закон Ампера. Если проводник l с током i находится в зоне действия магнитного поля В, то на него действует механическая сила f (Ньютон)

Согласно закону Ампера на проводник с током i, находящийся в зоне действия магнитного поля В, действует механическая сила f, которую можно вычислить:

, (1.3)

где γ – угол между направлениями магнитных силовых линий В и осью проводника 1.

Графически и математически этот закон показан на рис. 1.4б). Выражение (1.3) показывает, что сила f будет максимальна, если ( = 90).

Если сила f будет перемещать проводник со скоростью v, то она будет развивать механическую мощность Pмех, которую с учетом (1.2) можно преобразовать в электрическую мощность Pэл:

, (1.4)

Таким образом, делаем вывод, что использование указанных законов электротехники позволяет обеспечить взаимное преобразование механической и электрической энергии. Эта задача решается с помощью электрических машин.

Типовая конструкция электрический машины схематически показана. на рис. 1.5.

Вращающийся ротор 1 и неподвижный статор 2 разделены воздушным зазором 3. Каждый из них содержит сердечник (С) из ферромагнитного материала и обмотку (О). Ротор и статор сориентированы друг относительно друга с помощью механических частей: корпуса 4, двух щитов 5 и подшипниковых опор 6.

Ферромагнитный сердечник, называемый магнитопроводом, обладает высокой магнитной проницаемостью и является неотъемлемой частью электрической машины. Его устройство зависит от того, какой характер имеет сосредоточенное в нем магнитное поле. Если это поле постоянное по величине и направлению действия, то магнитопровод выполняют монолитным. Если же магнитное поле изменяется по величине или перемещается, то магнитопровод набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. В этом случае его называют шихтованным Изоляция листов ограничивает в теле магнитопровода так называемые «вихревые токи», что позволяет снизить нагрев машины.

Рис.1.5. Типовая конструктивная схема

электрической машины:

1 – ротор; 2 – статор; 3 – воздушный зазор между ротором и статором; 4 – корпус (станина); 5 – подшипниковый щит; 6 – подшипник; С – сердечник ротора и статора; О – обмотки ротора и статора

Обозначим: Р₁ – мощность потребляемая электрической машиной; Р₂ – мощность полезная (отдаваемая потребителю).

Определим коэффициент полезного действия (КПД) машины:

, (1.5)

Другой неотъемлемой частью электрической машины является обмотка. Обмотки выполняют из материала, сочетающего высокую электрическую проводимость с приемлемой стоимостью. В большинстве случаев это – медь. Перспективным считается использование для этой цели алюминия. Однако, повышенное удельное сопротивление этого металла пока ограничивает его применение.

Под действием напряжения, приложенного от источника электрической энергии, или индуктируемых электродвижущих сил в обмотках протекают токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем и является основой процессов преобразования энергии в электрической машине.

Обмотки нуждаются в тщательной электрической изоляции. Для этого используются различные изоляционные материалы: волокнистые, пленочные, композиционные, пропиточные и др. Они различаются по своим диэлектрическим параметрам, а также – по устойчивости к воздействию тепла, влаги, механических сил и т.п. В электрической машине различают изоляцию витковую и корпусную. Витковая изоляция предотвращает замыкание между собой витков обмотки. Чаще всего она обеспечивается применением специального обмоточного провода, покрытого слоем изоляции. Корпусная изоляция предотвращает соединение обмотки с магнитопроводом или корпусными частями машины. Задача решается применением специальных изоляционных деталей, изоляционных лент или пленок.

Магнитопровод, обмотка и изоляция электрической машины составляют её основные активные элементы. В некоторых типах машин для соединения вращающейся на роторе обмотки с внешней сетью используются различного рода токосъемные устройства: кольца, щеточный аппарат, коллектор и др. Эти элементы также относят к активным частям машины.

Рассмотренная конструктивная схема характерна для подавляющего большинства электрических машин, в том числе как для генераторов, так и для двигателей. Поэтому можно сделать ценный вывод, что общность конструктивной схемы и способность прямого и обратного преобразования энергии согласно (1.4) придает электрической машине свойство обратимости, то есть, одна и та же машина принципиально может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Поэтому электрические генераторы и двигатели принципиально не отличаются друг от друга по своему устройству. Однако, каждая выпускаемая заводом машина обычно предназначается для одного режима работы, в качестве генератора или двигателя. Их различие связано, главным образом с тем, что в линиях электропередачи от генератора к двигателю часть энергии неизбежно теряется на нагрев проводов, различных контактов и других элементов на пути электрического тока. Определение режима работы машины позволяет также лучше использовать её по мощности, режиму работы, КПД и др.

Кроме генераторов и двигателей отдельное место среди электрических машин занимают так называемые преобразователи. Они предназначены для преобразования параметров электрической энергии: рода тока, его частоты, величины напряжения и т.д. Преобразователи выполняются динамическими и статическими. Динамический преобразователь проще всего реализовать, если соединить валы двух машин: двигателя и генератора. Такое решение нередко встречается на практике, но оно связано со некоторыми мало оправданными затратами. Удобнее использовать специальный одномашинный преобразователь, который имеет на роторе или на статоре две отдельные обмотки: двигательную и генераторную. Первая присоединяется к источнику и обеспечивает вращение ротора. Со второй обмотки снимается электрическая энергия с требуемыми параметрами. Таким образом, в одной машине одновременно реализуется две функции: двигателя и генератора.

Типичным примером статического преобразователя является трансформатор, который предназначен для изменения напряжения переменного тока при неизменной его частоте. Трансформатор также содержит не менее двух обмоток. Одна из них получает электрическую энергию одного напряжения от источника, а другая – отдает энергию с другим напряжением потребителю. Принципиальное отличие трансформатора от рассмотренных выше электрических машин состоит в отсутствии движущихся (вращающихся) активных частей.

В каждом трансформаторе или вращающемся преобразователе направление преобразования электрической энергии может быть изменено на обратное.

Любая электрическая машина рассчитывается на определенную мощность. Это – количество энергии, которое машина может преобразовать в единицу времени. Максимальная мощность каждой электрической машины ограничивается допустимым нагревом её активных частей (главным образом – изоляции). Преобразование энергии в электрических машинах неизбежно сопровождаются её частичными потерями. Они связаны с тем, что проводники, по которым протекают токи, всегда обладают определенным сопротивлением и поэтому в них выделятся тепло. Тепло также выделяется в магнитопроводе при его перемагничивании. Трение в подшипниках также сопровождается выделением тепла. Эти и другие виды потерь электричекой энергии в конечном итоге вызывают нагрев машины. Частичные потери энергии приводят к тому, что потребляемая электрической машиной мощность (Р1) всегда больше той полезной мощности (Р2), которая затем отдается потребителю. Разница этих величин всецело расходуется на нагрев машины. Отношение полезной мощности электрической машины к потребляемой называется её коэффициентом полезного действия (КПД):

, (1.6)

Электрические машины стремятся выполнять с максимально возможным КПД. В самых мощных машинах он достигает 99 – 99,6%. В машинах мощностью 10вт и менее КПД составляет 20 – 40%. Такие величины КПД в других типах машин (поршневых, турбинах и т.п.) соответствующей мощности практически недостижимы. Высокий КПД, удобство подвода и отбора энергии, обслуживания, управления и другие достоинства обусловили широкое использование электрических машин.

Потери энергии в электрической машине определенных размеров увеличиваются с повышением отбираемой мощности, или, как говорят, с увеличением её нагрузки. Вместе с этим увеличивается и нагрев машины. Поэтому наибольшая мощность нагрузки, допустимая для данной машины, будет ограничиваться допустимым уровнем её нагрева. В определенной степени она может ограничиваться также механической прочностью конструкции.

Полезную мощность, на которую рассчитана электрическая машина при заданном сроке и режиме её эксплуатации, называют номинальной мощностью. Все другие величины, которые характеризуют работу машины при номинальной мощности, также называют номинальными: напряжение, ток, частота вращения ротора, КПД, частота тока. Для машины переменного тока устанавливается также номинальное значение коэффициента мощности Cos φ (φ - угол отставания тока от действующего на зажимах напряжения).

Номинальные величины указываются на заводском знаке: металлической табличке, укрепленной на корпусе машины. Они указываются также в сопроводительных документах: паспорте или формуляре. При этом нужно знать, что для двигателей полезной мощностью считается его механическая мощность на валу, для генератора и динамического преобразователя – электрическая мощность, отдаваемая с его выходных зажимов потребителю.

Для трансформаторов и некоторых типов электрических машин переменного тока под полезной мощностью подразумевается их полная выходная мощность:

Sг = VгIг В•А, (1.7)

Номинальные параметры, методы испытаний электрических машин, другие специальные требования регламентируются государственными стандартами. Согласно этим стандартам номинальные напряжения электрических машин согласованы со стандартными напряжениями электрических сетей или других источников питания. При этом номинальные напряжения двигателей и первичных обмоток трансформаторов равны стандартным напряжениям сетей. Так, для двигателей переменного тока и первичных обмоток трансформаторов номинальные напряжения, например, равны: 220, 380, 660 В или 3, 6, 10 кВ. Что же касается генераторов и вторичных обмоток трансформаторов, то они рассчитываются на напряжение на 5 – 10 % выше с целью компенсации падения напряжения в сетях: 230, 400, 690 В и 3,15; 6,3; 10,5 кВ. Для вторичных обмоток трансформаторов нередко принимается номинальное напряжение 3,3; 6,6; 11,0 кВ. Для трехфазных установок в паспортных табличках приводятся линейные значения напряжений.

В Российской Федерации и большинстве стран мира стандартная частота переменного тока в сетях принята 50 Гц. В США и некоторых других странах Америки промышленная частота тока принята 60 Гц. Для специальных целей (питание индукционных установок, высокоскоростных приводов, устройств автоматики и др.) применяют переменные токи других частот, для чего используют специальные динамические или статические преобразователи.

Номинальные мощности электрических машин и трансформаторов также стандартизованы. В зависимости от мощности электрические машины нуждаются в выполнении специфических требований производства, монтажа, обслуживания и ремонта. Поэтому их обычно подразделяют на группы:

до 0,5 кВт – машины малой мощности (микромашины);

0,5 – 100 кВт – машины средней мощности;

160 кВт и выше – машины большой мощности.

Эти границы между группами в определенной степени условны, так как мощность машины не всегда соответствует её габариту. Известно, что мощность электрической машины пропорциональна произведению частоты вращения ротора (n об/мин) на развиваемый ею вращающий момент (Мнм): Р ≡ М•n. Поэтому с уменьшением частоты вращения при той же мощности машина должна развивать больший момент, а следовательно - она будет иметь большие размеры. Поэтому по условиям обслуживания, ремонта и др. она может быть отнесена к другой группе. Такое же может наблюдаться при повышении частоты вращения ротора.

2.2. Классификация электрических машин

и трансформаторов

Электрические машины отличаются друг от друга, прежде всего, по роду тока. Поэтому их разделяют на машины постоянного и переменного тока. В свою очередь, по признаку наличия щеточно-коллекторного устройства электрические машины разделяют на коллекторные и бесколлекторные. Указанное разделение электрических машин по роду тока и наличию коллектора представлено на рис. 1.6. Здесь пунктирной линией показано, электрические машины независимо от рода тока могут быть как коллекторными, так и бесколлекторными.

Бесколлекторное исполнение более характерно для машин переменного тока, среди которых нужно выделить асинхронные и синхронные машины. Для последних характерным является равенство скоростей вращения ротора и магнитного поля статора. Что же касается асинхронных машин, то в них ротор, как правило, вращается со скоростью, отличающейся от скорости вращения магнитного поля статора.

Рис.1.6. Классификация наиболее распространенных

электрических машин

Исполнение с коллектором более характерно для машин постоянного тока (генераторов и двигателей). Однако, среди этого класса машин получили распространение и коллекторные двигатели переменного тока (например, привод пылесоса, электроинструмента и др.).

Полезно ознакомиться к конструктивными особенностями наиболее часто встречающихся машин перечисленных классов.

На рис. 1.7 представлена в частичном разрезе типовая конструкция машины постоянного тока.

Рис.1.7. Электрическая машина постоянного тока:

1 – коллектор; 2 – щетки; 3 – сердечник якоря; 4 – сердечник полюса; 5 – полюсная катушка; 6 – станина; 7 – подшипниковый щит; 8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря

Её характерной особенностью является наличие на статоре (станине 6) полюсов, содержащих сердечники 4 с полюсными катушками 5. Ток, протекающий в этим катушкам, создает неподвижное магнитное поле. Полюсные катушки образуют статорную обмотку возбуждения. В зависимости от способа подключения этой обмотки к источнику различают машины с сериесным (последовательным), шунтовым (параллельным) и независимым возбуждением. В машинах постоянного тока малой мощности нередко для возбуждения магнитного поля применяют постоянные магниты. На сердечнике 3 ротора, именуемого здесь якорем, располагается обмотка 9, соединяемая с внешней сетью через коллектор 1 и щетки 2. Активные части машины сориентированы друг относительно друга с помощью станины 6 и подшипниковых щитов 7.

В настоящее время созданы конструкции микромашин, в которых функции коллектора выполняются специальным полупроводниковым коммутатором, но они еще не получили широкого распространения.

В машинах переменного тока (синхронных и асинхронных) обмотку, соединяемую с сетью, чаще всего располагают на статоре. Для машин этого класса характерным является наличие вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре между ротором и статором. Оно создается переменными токами, протекающими по катушкам статорной обмотки. В зависимости от того, как создается и используется это поле, машины переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. В синхронных машинах (рис.1.8) поле создается полюсами 1, расположенными на роторе. Оно возбуждается постоянным током, притекающим в катушках 2 этих полюсов. Поэтому для большинства синхронных машин свойственно наличие вращающегося токосъемного аппарата (колец и щеток). Частота ЭДС в статорной обмотке 3 такой машины и протекающих здесь токов всегда жестко соответствует частоте вращения ротора и поэтому она называется синхронной. Широко используются синхронные генераторы и двигатели. Кроме этого получили распространение так называемые синхронные компенсаторы, используемые для улучшения энергетических показателей в системах электроснабжения. Синхронные машины могут быть бесконтактными, не несущими обмотки на роторе. Это – машины, полюса которых выполнены из постоянных магнитов или – реактивные, где явновыраженные полюса лишены обмоток возбуждения.

Рис.1.8. Синхронный генератор:

1 – контактные кольца; 2 – щеткодержатели; 3 – полюсная катушка ротора; 4 – полюсный наконечник; 5 – сердечник статора; 6 – вентилятор; 7 – вал.

В асинхронной машине (рис. 1.9), используемой обычно в качестве двигателя, основное вращающееся поле создается токами, протекающими обмотке 1 статора. Эта обмотка выполняется, как правило, двух- или трехфазной. Вращающееся поле индуктирует в обмотке 2 ротора ЭДС. Обусловленные ею токи взаимодействуют с основным магнитным полем и создают вращающий момент. При частоте вращения ротора, равной частоте вращения поля, ЭДС в обмотке ротора отсутствует, поэтому и вращающий момент будет отсутствовать.

Рис.1.9. Трехфазный асинхронный двигатель

с короткозамкнутым ротором:

1 – вал; 2 и 6 – подшипники; 3 и 7 – подшипниковые щиты; 4 – коробка выводов; 5 – вентилятор; 8 – кожух вентилятора; 9 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 11 – корпус; 12 – лапы.

Асинхронный двигатель может создавать вращающий момент только при отставании ротора от поля статора. Это значит, что ротор должен вращаться с частотой, меньшей частоты вращения поля, то есть – не синхронно с полем. Поэтому эта машина и называется асинхронной. Принципиально асинхронная машина может работать и в режиме генератора, но из-за трудностей возбуждения такое её применение ограничено. Асинхронные двигатели могут иметь на роторе так называемую «короткозамкнутую» обмотку, которая не соединяется с внешней сетью. Такая машина является бесконтактной. В других случаях на ротор выполняют трехфазную обмотку, которую через токосъемные кольца и щетки соединяют с внешней сетью. В этом случае имеем двигатель с фазным ротором.

Кроме указанных типов можно еще отметить и некоторые специальные типы электрических машин: коллекторные переменного тока, двух- и одно- якорные преобразователи, машины систем автоматики и др. Однако в их основе лежат принципы, свойственные указанным выше основным типам машин.

Классификация трансформаторов может быть проведена по иным критериям. Пример такой классификации показан на рис. 1.10. Прежде всего они подразделяются по числу фаз: однофазные и трехфазные. Примечательно, что однофазные трансформаторы нередко используют и в трехфазных системах электроснабжения, образуя так называемый групповой трансформатор.

По числу обмоток на одну фазу различают также трансформаторы двухобмоточные и многообмоточные. В последнем случае трансформатор может иметь несколько первичных или вторичных обмоток.

Трансформаторы, служащие для преобразования энергии переменного тока в сетях электроэнергетических систем, называют силовыми. Они представляют собой наиболее распространенный и важный тип трансформаторов. Кроме этого имеется ряд типов трансформаторов специального назначения: выпрямительные, сварочные, согласующие и др. Общие вопросы устройства активных частей и анализа происходящих в них процессов мало зависят от типа трансформатора.

Рис.1.10. Классификация силовых трансформаторов

В зависимости от способа охлаждения различают трансформаторы сухие и масляные. В последнем случае активная часть трансформатора помещается в герметично закрытый бак, заполненный трансформаторным маслом. На рис. 1.11 для примера показана конструкция силового масляного трансформатора.

Рис.1.11. Трехфазный масляный трансформатор

с частичным разрезом:

1 – катки тележки; 2 – изолирующий цилиндр; 3 – обмотка высшего напряжения; 4 – обмотка низшего напряжения; 5 – магнитопровод; 6 – выводы низшего напряжения; 7 – выводы высшего напряжения;

8 – расширитель масла; 9 – указатель уровня масла; 10 – радиаторы охлаждения масла.

Он размещен на тележке, снабженной катками 1. Изолирующие цилиндры 2 с обмотками низшего 3 и высшего 4 напряжения расположены на стержнях магнитопровода 5. С внешней сетью обмотки трансформатора соединяются через изолированные выводы высокого 6 и низкого напряжения. Магнитопровод 5 с обмотками помещен в плотно закрытый стальной бак с радиаторами охлаждения 10. Бак заполнен трансформаторным маслом, верхний уровень которого находится в расширителе 8 и контролируется указателем 9. Расширитель компенсирует изменение объема масла при нагревании или охлаждении.

В обычных трансформаторах первичные и вторичные обмотки имеют между собой только магнитную связь, то есть, они электрически изолированы друг от друга. В некоторых случаях вместо обычных трансформаторов экономически целесообразно применять автотрансформаторы, в которых первичная и вторичная обмотки кроме магнитной имеют еще и электрическую связь. Автотрансформаторы при той же мощности позволяют в некоторых случаях сэкономить дорогостоящие активные материалы, выполнить электроустановку более компактной.

3. Заключительная часть

3.1. Заключение

В результате проведенного занятия обучаемые получили представление о структуре системы электроснабжения и задачах, решаемых электрическими машинами (генераторами и электродвигателями) и силовыми трансформаторами. Показано, что в основе их построения лежат законы электромеханики: закон Ампера и закон электромагнитной индукции. Электрические машины и трансформаторы характеризуются некоторыми параметрами, среди которых главными являются напряжение и мощность. Приведена классификация электрических машин и трансформаторов.

3.2. Контрольные вопросы

1. С какой целью используются электрические машины и трансформаторы в системах электроснабжения?

2. Какие задачи решают электрические машины и трансформаторы в системе электроснабжения?

3. Почему электрические машины и трансформаторы относят к электромагнитным устройствам?

4. Какие части электрических машин относят к активным, каковы их признаки?

5. В чем состоит свойство обратимости электрической машины и трансформатора?

6. В чем состоит физический смысл мощности электрической машины, потерь мощности и её коэффициента полезного действия?

7. Как рассчитать потребляемую и полезную мощность однофазного трансформатора?

8. Как определить номинальные данные электрической машины или трансформаторе?

9. Можете ли Вы дать классификацию основных типов электрических машин?

10. Можете ли Вы дать классификацию основных типов силовых трансформаторов?

занятиЕ №2. ТРАНСФОРМАТОРЫ

1. Вводная часть

1.1. Назначение занятия

Занятие предназначено для изучения устройства силового трансформатора, назначения и взаимодействия его составных частей, закономерностей происходящих в нем процессов.

Для этого обучаемым необходимо понять связь между параметрами катушки с током и создаваемого ею магнитного поля, влияние свойств среды, взаимодействие между двумя катушками, размещенными на общем магнитопроводе.

Анализ работы трансформатора на холостом ходу ставит задачей понять физический смысл коэффициента трансформации, фазового сдвига ЭДС во вторичной цепи, свойств намагничивающего тока, приобрести навык построения векторной диаграммы. Знакомство с режимами работы под нагрузкой и при коротком замыкании позволит обучаемым лучше понять эксплуатационные свойства трансформатора, его внешнюю характеристику. Изучение указанных режимов позволяет понять энергетический баланс трансформатора.

На основе полученных знаний получить представление об устройстве и эксплуатационных свойствах силового трехфазного трансформатора и автотрансформатора.

1.2. Цели занятия

В конце обучения по данному занятию обучаемый должен быть способен:

Рис.2.1. Структура занятия

• Объяснять принципы передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную, изолированную от первичной и размещенную на том же магнитопроводе.

• Объяснять устройство и принцип работы однофазного трансформатора, рассчитывать коэффициент трансформации.

• Рассчитывать поток и индукцию магнитного поля, сечения магнитопровода.

• Определять номинальную мощность трансформатора.

• Объяснить методы определения потерь в магнитопроводе и в обмотках при номинальной нагрузке.

• Определять изменение напряжения трансформатора в зависимости от величины и характера нагрузки.

• Объяснить способы регулирования напряжения в силовых трансформаторах

• Обосновать варианты выполнения трехфазного трансформатора.

• Рассчитать фазные напряжения трехфазного трансформатора в зависимости от схемы соединения обмоток.

• Рассчитать КПД трансформатора в зависимости от величины и характера нагрузки.

• Перечислить условия параллельной работы трансформатора.

• Назвать способы сборки сердечника трансформатора и области их применения.

• Назвать типы обмоток силовых трансформаторов и особенности их устройства.

• Рассчитать проходную и мощность и объяснить условия рационального использования автотрансформатора.

• Объяснить устройство трехфазного силового масляного трансформатора, назначение отдельных элементов конструкции.

Рис.2.2. Цели проведения вводного занятия

2. Основная часть

2.1. Свойства катушки с током

Известно, что постоянный ток, протекающий по катушке превращает её в электромагнит. Это связано с тем, что такая катушка создает так называемую магнитодвижущую силу (МДС), являющуюся одним из важных параметров магнитного поля. Её несложно определить, как произведение тока (I) в катушке на число её витков (W):

(A·витк.), (2.1)

На рис.2.3, а схематически показана катушка 1, имеющая W витков. К выводам катушки подведено напряжение U от источника постоянного тока (например, от гальванической батареи). В результате по катушке протекает ток I, величина которого определяется сопротивлением цепи R и может быть определен по закону Ома:

, (2.2)

Магнитное поле на рисунке представлено в виде силовых линий 2, которые пронизывают все витки катушки и замыкаются в окружающем пространстве. Направление магнитного поля условно определяют по правилу «буравчика». На рисунке условно изображен буравчик 3, ось которого совпадает с осью катушки. Если его рукоятку вращать в направлении тока в витках, то сам буравчик будет двигаться вниз. Направление движения буравчика и принимается за направление действия МДС катушки, или, как обычно говорят, за направление действия магнитного поля.

Рис.2.3. Магнитное поле катушки,

обтекаемой постоянным током

Таким образом, катушка, обтекаемая током, создает магнитное поле Его направление определяется по правилу «буравчика».

Знание величины (2.1) и направления МДС позволяет определить другой важный параметр магнитного поля – величину создаваемого катушкой магнитного потока, обычно обозначаемого греческой буквой Ф. Его можно рассчитать, если известен путь, по которому магнитное поле замыкается, и магнитные свойства среды. Все перечисленное составляет магнитную цепь электромагнита, которую удобно представить в виде простой электрической цепи. Такая цепь называется эквивалентной и графически она показана на рис.2.3б). На этом рисунке МДС F показана в виде источника, а магнитной сопротивление цепи потоку Ф – в виде сопротивления R_м. Для такой цепи также можно применить закон Ома и вычислить величину магнитного потока:

(2.3)

Магнитное сопротивление R_м определяется физическими свойствами среды, в которой создано магнитное поле. Из отношения (3) следует, что при неизменной МДС катушки величина магнитного потока будет увеличиваться, если уменьшать сопротивление R_м. Это значит, что для создания большого потока нужно подобрать такой материал на его пути, чтобы сопротивление R_м было минимальным. Из известных доступных материалов наилучшими свойствами для решения поставленной задачи обладают железо и ферромагнитные сплавы (стали) на его основе.

На рис.2.4а) показана катушка 1, которая размещена на сердечнике 2 из специальной электротехнической стали. Такая сталь имеет высокую магнитную проницаемость, что позволяет получить значительную величину магнитного потока. В действительности же свойства стали ограничивают рост магнитного потока после достижения им некоторого значения. Зависимость потока в стальном сердечнике от МДС катушки показана на рис.2.4б). Здесь видно, что при увеличении МДС больше F₁ магнитный поток медленно приближается к величине Ф_S, которую можно принять постоянной. Эта величина называется потоком насыщения, а само явление – насыщением магнитной цепи.

Рис.2.4. Катушка с сердечником

из магнитного материала

Если же МДС катушки изменяется в пределах от нуля до F₁, то это приводит к значительному изменению потока, как это следует из рис.2.4б). При неизменном сечении сердечника (Q_м) в этом случае имеет смысл поставить вопрос об оценке плотности потока в сердечнике. Такой параметр называют индукцией магнитного поля, количественно его определяют отношением:

(2.4)

Индукция, соответствующая потоку насыщения Ф_S,, называется индукцией насыщения.

Протекание в катушке переменного тока в соответствии с (2.1) и (2.3) это вызовет изменение параметров магнитного поля. Согласно закону электромагнитной индукции это приведет к возникновению в катушке электродвижущей силы (эдс). Складываясь с напряжением U источника питания, она будет влиять на характер изменения тока в катушке, способствуя его росту или уменьшению. Характер этого влияния установлен законом Ленца, согласно которому:

ЭДС, индуктируемая в катушке (витке), при изменении сцепленного с нею потока всегда направлена так, чтобы воспрепятствовать изменению потока.

Так, если ток в катушке по какой-либо причине начинает уменьшаться, то индуктируемая в ней ЭДС будет направлена согласно с током и, складываясь с напряжением источника, будет задерживать уменьшение тока. Если же ток начнет расти, ЭДС изменит направление и будет задерживать увеличение тока. Такое явление называется самоиндукцией, а индуктируемая в катушке электродвижущая сила – ЭДС самоиндукции.

Разместим на сердечнике 2 (рис.2.4в) еще одну катушку 3. Если к катушке 1 подвести напряжение синусоидальной формы, то протекающий по ней ток тоже будет синусоидальным, то есть – будет непрерывно изменяться, увеличиваясь или уменьшаясь. Поскольку часть магнитного потока, создаваемого током катушки 1, как показано на рисунке, пронизывает катушку 3, то при его изменении в этой катушке тоже будет наводиться ЭДС. Такое явление называют взаимоиндукцией, а наведенная в катушке 3 электродвижущая сила – ЭДС взаимоиндукции.

Явления само- и взаимоиндукции широко используются в трансформаторах и электрических машинах.

2.2. Устройство и принцип работы однофазного

трансформатора

Трансформатором называют электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования характеристик переменного тока, в частности – его электрического напряжения. Он содержит в качестве активных элементов стальной замкнутый магнитопровод и две или больше электрически не связанные между собой обмотки. Устройство и принцип работы простого двухобмоточного трансформатора показаны на рис. 2.5а). Магнитопровод 1 набран из отдельных листов стали, изолированных друг от друга. Его назначение – обеспечить максимальную взаимоиндуктивную связь между обмотками. Здесь же схематически показаны две обмотки: первичная (2) и вторичная (3). Обмотки изолированы относительно магнитопровода и между собой. К первичной обмотке от генератора Г подводится напряжение u₁. С вторичной обмотки снимают напряжение u₂ другой величины.

Обозначим число витков первичной обмотки буквой w_1, а вторичной – w₂. Предположим, что к первичной обмотке подключено переменное напряжение u₁, изменяющееся по синусоидальному закону. При этом вторичная обмотка – разомкнута.

Под действием напряжения u₁ по обмотке w₁ будет протекать синусоидальный ток i₁=I_m1Sinωt (здесь I_m1 – амплитуда тока). Обусловленная им МДС первичной обмотки (F₁=i₁w₁) создает поток магнитного поля Ф, пульсирующий в магнитопроводе также по синусоидальному закону и с той же частотой. Путь и направление потока при указанном на рисунке направлении тока в рассматриваемый момент времени показаны пунктирной линией со стрелками. При этом поле пронизывает и вторичную обмотку w₂. Таким образом, магнитный поток Ф сцеплен с обеими обмотками w₁ и w₂. Пульсирующее магнитное поле индуктирует в этих обмотках электродвижущие силы е₁ и е₂ соответственно. Величина её зависит от скорости изменения потока, а направление – от того, как он изменяется, растет или падает.

; ; – ЭДС в витке.

Рис.2.5. Принцип действия однофазного трансформатора

Таким образом, п еременный ток, протекающий в первичной обмотке, возбуждает в магнитопроводе пульсирующее магнитное поле, которое пронизывает вторичную обмотку и индуктирует в ней электродвижущую силу. Если к зажимам вторичной обмотки подключить нагрузку, то в её цепи возникнет переменный электрический ток и электрическая энергия станет поступать к нагрузке

На рис.2.5б) показано синусоидальное изменение во времени тока i₁ и создаваемого им потока Ф. Ниже показана кривая ЭДС, индуктируемой в витке любой из обмоток, размещенных на сердечнике (рис.2.5а). Следует обратить внимание, что в момент времени t=0 скорость изменения тока (потока) максимальна в сторону его увеличения. Поэтому ЭДС в витке имеет максимальное значение (.Е_м), причем – с отрицательным знаком. Последнее показывает, что в соответствии с законом Ленца ЭДС направлена так, чтобы ослабить нарастание тока (потока). В момент времени t₁ изменение магнитного потока приостанавливается, поэтому ЭДС в витке в этот момент равна нулю. И, наконец, в момент времени t₂ имеет место наиболее быстрое уменьшение тока и потока, поэтому ЭДС снова достигает максимального значения, но теперь уже – со знаком «+», что также отвечает требованию закона Ленца.

Таким образом, при синусоидальном изменении тока и потока ЭДС в витке каждой обмотки также изменяется по закону синуса, но её максимум наступает на четверть периода позже максимума тока (потока). Обычно в этом случае говорят, что ЭДС отстает во времени от магнитного потока на четверть периода. Эту зависимость можно записать простой формулой:

е= - ΔФ/Δt, (2.5)

где: Δt – очень маленький отрезок времени, в течении которого закон изменения потока можно считать практически линейным; ΔФ – изменение магнитного потока за время Δt.

Таким образом, мгновенное значение ЭДС в витке равно скорости изменения сцепленного с витком магнитного потока, но только – с обратным знаком.

Все витки одной обмотки соединены между собой последовательно. И если их потокосцепление изменяется одновременно и с равной скоростью, то их ЭДС складываются, образуя ЭДС самоиндукции первичной обмотки:

е₁= - w₁ = - , (2.6)

где: Ψ₁=w₁Ф – потокосцепление первичной обмотки.

Аналогично определяется ЭДС вторичной обмотки:

е₂= - w₂ = - , (2.7)

Это – ЭДС взаимоиндукции, поскольку она наведена потоком другой (первичной) обмотки. В выражении (2.7) Ψ₂=w₂Ф – потокосцепление вторичной обмотки.

В соответствии с изложенным на рис. 2.5а) показаны направления мгновенных значений токов и ЭДС в цепях первичной и вторичной обмоток. При анализе и расчетах синусоидальных процессов в цепях переменного тока, как известно /1/, удобнее пользоваться действующими значениями величин. Действующее значение синусоидального тока связано с его амплитудой соотношением I=U/ . Если в (2.6) и (2.7) мгновенные значения ЭДС заменить их действующими значениями, то можно записать отношения:

е₁/е₂=Е₁/Е₂=w₁/w₂ (2.8)

Таким образом, подбором соотношения обмоток трансформатора можно повышать или понижать напряжение переменного тока в широких пределах.

Отношение (2.8) является важным эксплуатационным параметром трансформатора. При Е₁<Е₂ трансформатор будет повышающим, а при Е₁>Е₂ – понижающим. Поэтому его обмотки удобно называть обмотками высшего и низшего напряжения: w_ВН и w_НН. Отношение их чисел витков называют коэффициентом трансформации - один из важнейших его параметров. С учетом (2.8) и принятых обозначений его можно определить как:

К=Е_ВН/Е_НН=w_ВН/w_НН (2.9)

Практический интерес имеют три режима работы трансформатора: холостого хода, под нагрузкой и при коротком замыкании. В режиме холостого хода вторичная обмотка разомкнута и потребляемая первичной обмоткой мощность практически равна потерям в магнитопроводе. В режиме нагрузки трансформатор питает потребителя, подключенного ко вторичной обмотке; работа в этом режиме характеризуется передаваемой мощностью. коэффициентом и характером нагрузки, коэффициентом полезного действия. В режиме короткого замыкания вторичная обмотка замкнута накоротко и первичное напряжение уменьшают до величины, когда в обмотках протекают номинальные токи. Потребляемая при этом мощность практически равна потерям в обмотках

2.3. Режим холостого хода трансформатора

Холостым ходом трансформатора называют режим его работы, когда первичная обмотка подключена к источнику переменного тока, а его вторичная обмотка – разомкнута. Опыт холостого хода позволяет определить параметры первичной обмотки.

Схематически однофазный трансформатор изображается, как показано на рис. 2.6а). Здесь 1 и 2 – первичная и вторичная обмотки с числами витков w₁ и w₂ соответственно, 3 – магнитопровод. К зажимам первичной обмотки подведено синусоидальное напряжение u₁. Зажимы обозначены буквами: А – начало первичной обмотки, X – её конец. Выводы вторичной обмотки обозначены такими же, но только – строчными, буквами. Вторичная обмотка разомкнута (i₂=0). Ток в первичной обмотке в этом случае называют током холостого хода (i₁=i_ο), который очень мал и составляет 3,5…0,5 % от номинального тока первичной обмотки. Он создает магнитодвижущую силу F_о=i_оw₁, которая вызывает появление магнитного потока Ф₁. Выходя из обмотки w₁, этот поток раздваивается. Большая его часть замыкается по магнитопроводу и сцепляется с обмоткой w_2. Эта часть называется основным магнитным потоком Ф_о (см. рис.2.6б). Именно основной поток индуктирует ЭДС во вторичной катушке. Другая, гораздо меньшая, часть потока замыкается в пространстве, прилегающем к первичной обмотке 9большей частью – по возхдуху и расположенным рядом элементам конструкции), и с вторичной обмоткой не сцепляется. Это – поток рассеяния Ф_1σ первичной обмотки. Таким образом, ЭДС в первичной обмотке складывается из двух составляющих, обусловленных основным потоком (е_1о) и потоком рассеяния (е_1σ):

е₁= е_1о + е_1σ (2.10)

Вместо мгновенных значений ЭДС в уравнении можно принять их действующие значения

Е₁=Е_1о+Е_1σ (2.11)

Рис.2.6. Режим холостого хода

однофазного трансформатора

Для практических расчетов действующих значений синусоидальных ЭДС удобно /2/ пользоваться формулой, которая является модификацией формулы (2.7):

Е=4,44fwф_m (2.12)

где: f – частота тока (Гц); Ф_m – максимальное (амплитудное) значение потока магнитного поля (Вб), пронизывающего обмотку. По этой формуле можно вычислить любую составляющую равенства (2.11) с учетом соответствующей составляющей магнитного потока. Так, для определения ЭДС, наводимой основным магнитным потоком во вторичной обмотке будет справедливо выражение:

Е₂=4,44fw₂Ф_оm (2.13)

С целью анализа особенностей режима холостого хода трансформатора с учетом принятых выше (рис.2=5а) положительных направлений мгновенных значений напряжения, токов и ЭДС запишем согласно второму закону Кирхгофа уравнение электрического равновесия мгновенных значений напряжений и ЭДС для цепи первичной обмотки:

u₁= i_оR₁ – e₁ (2.14)

где: i_о – ток холостого хода трансформатора; R₁ – активное сопротивление первичной обмотки. В режиме холостого хода падением напряжения (i_оR₁) можно пренебречь из-за его малого значения по сравнению с u₁ и e₁. Поэтому равенство (13) приобретает простой вид:

u₁=– e₁, (2.15)

откуда следует, что ЭДС самоиндукции в первичной обмотке направлена встречно к приложенному напряжению, то есть – находится к напряжению в противофазе.

В идеализированном трансформаторе (R₁=0) не расходуется энергия на нагрев первичной обмотки. Поэтому ток холостого хода i_о здесь является намагничивающим и отстающим от напряжения на угол 90^о. Зависимость создаваемого им магнитного потока от величины намагничивающего тока называют магнитной характеристикой трансформатора. Она линейна, пока не достигается насыщение стали магнитопровода.

Ток холостого хода реального трансформатора (R₁≠0) кроме реактивной составляющей (I_ор) содержит еще и активную составляющую I_оа. Она обеспечивает покрытие мощности, расходуемой на нагрев обмотки и магнитопровода. Нагрев обмотки обусловлен потерями мощности в меди (Р_1Cu):

Р_1Cu= I²_оа·R_{1 `}(2.16)

На образование тепла расходуется потребляемая от источника активная мощность, Поэтому полный ток холостого хода трансформатора будет определяться как:

(2.17)

Уточним наличие у трансформатора магнитного потока рассеяния Ф_σ, упомянутого выше. Согласно (2.12) он индуктирует в первичной обмотке ЭДС е_σ. Её действующее значение легко связать с этим потоком:

Е_1σ=4,44fw₁Ф_σь (2.18)

Поскольку поток рассеяния замыкается в основном по воздуху (рис. 2.6б), то его величину можно считать пропорциональной величине тока в этой обмотке. Это удобно записать в виде зависимости:

Е_1σ=-jI₁X₁ (2.19)

что напоминает запись закона Ома. Отсюда следует, что коэффициент пропорциональности X₁ должен иметь размерность сопротивления электрическому току (Ом). Поэтому он получил наименование индуктивного сопротивления (в отличие от активного R₁). Множитель «j» показывает, что ЭДС во времени отстает от потока Ф_σь на четверть периода (см. рис. 2.4б), а знак «минус» - что кривая ЭДС формируется в противофазе к приложенному напряжению.

С учетом всего изложенного при синусоидальной форме изменения напряжения u_1, тока i_o, а также – потока и ЭДС, можно записать уравнения трансформатора, работающего на холостом ходу:

(2.20)

Первое равенство является векторной записью равенства (2.15) согласно первому закону Кирхгофа, а второе – условие равновесия напряжений и ЭДС в первичной цепи согласно второму закону Кирхгофа. Точки над буквами показывают, что обозначаемые этими буквами параметры могут быть изображены в виде векторов. Поэтому по уравнениям (2.18) может быть построена векторная диаграмма, показанная на рис. 2.6в).

На этой диаграмме каждое слагаемое равенств (2.18) представлено в виде вектора – отрезка прямой, длина которого равна абсолютной величине действующего значения параметра, а направление – его фазу. Все векторы, представленные на диаграмме, вращаются синхронно против направления часовой стрелки вокруг точки «О» (показано стрелкой). С помощью векторной диаграммы удобно анализировать процессы, в частности - иметь наглядное представление о взаимном фазовом положении векторов. Так, на рис. 2.6в) угол φ является ни чем иным, как углом отставание тока в цепи обмотки от приложенного к зажимам напряжения. Угол α дает представление о соотношении активной и реактивной составляющих намагничивающего тока. Вектор представляет собой падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки и поэтому имеет направление, одинаковое с направлением вектора тока . Вектор jI₁X₁ согласно равенству (2.17) представляет ЭДС, наведенную потоком рассеяния, и поэтому повернут относительно вектора тока на угол 90^о. На векторной диаграмме хорошо видно, что приложенное к первичной обмотке напряжение и наведенная в ней ЭДС отличается друг от друга как по величине, так и по фазе. Степень этих отличий зависит как от величины тока в обмотке, так и от её параметров (активного R₁ и индуктивного X₁ сопротивлений первичной обмотки).

2.4. Работа трансформатора под нагрузкой

Работа под нагрузкой – это штатный режим работы силового трансформатора. В этом режиме к выводам (а;х) его вторичной обмотки подключен потребитель, который расходует поступающую от трансформатора энергию и поэтому является его нагрузкой. На рис.2.7 нагрузка представлена сопротивлением Z_н. Цепь вторичной обмотки оказывается замкнутой и под действием ЭДС е₂ в этой цепи протекает ток i₂, а на её зажимах установится напряжение u_2. Если пренебречь падением напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки (оно всегда мало по сравнению с сопротивлением нагрузки), то с достаточной точностью можно считать:

Рис.2.7. Однофазный трансформатор под нагрузкой

(2.21)

Ток i₂ создает собственный магнитный поток. Большая его часть, как это следует из правила Ленца, оказывается направленной навстречу потоку первичной обмотки и сцепляется с ней. Другая же часть – замыкается по воздуху и сцеплена только с витками вторичной обмотки. Это – поток рассеяния вторичной обмотки Ф_2σ.

Таким образом, МДС вторичной обмотки, возникающая при нагрузке трансформатора, действует размагничивающим образом. Это должно привести к уменьшению основного магнитного потока. В свою очередь, уменьшение магнитного потока привело бы к снижению ЭДС e₁ в первичной обмотке, которая в таком случае в меньшей степени будет уравновешивать приложенное к ней напряжение u₁. В конечном итоге это должно привести к возрастанию тока i₁ до величины, когда магнитный поток восстановится до прежнего значения. Отсюда следует важный вывод:

при изменении тока вторичной обмотки трансформатора, работающего под нагрузкой, магнитный поток, сцепленный с обеими обмотками, практически не меняется.

В этом случае токами, протекающими в обеих обмотках одновременно, будет создаваться результирующий магнитный поток, по величине практически равный потоку холостого хода. Поэтому сам поток от величины вторичного тока не зависит, и суммарная намагничивающая сила двух обмоток, необходимая для создания этого потока, будет оставаться постоянной:

(2.22)

Представление МДС в виде векторов говорит о том, что сумма в правой части равенства (20) – векторная и учитывает фазовый сдвиг между токами i₁ и i₂. Если же МДС выразить через действующие значения токов (I= I_m / ) в обмотках, то равенство (2.20) приобретает вид:

(2.23)

Решив его относительно I₁, в итоге получим:

, (2.24)

где: - нагрузочная составляющая тока первичной обмотки.

Равенства (2.20) и (2.21) обычно называют условиями магнитного равновесия, которое поясняет важное свойство трансформатора:

всякое изменение тока вторичной обмотки вызывает соответствующее изменение тока первичной обмотки.

Векторные уравнения (2.20) трансформатора при нагрузке дополняются уравнением электрического равновесия напряжений вторичного контура, при этом для первичного тока учитывается его выражение (2.22):

(2.25)

По этим уравнениям можно построить векторную диаграмму трансформатора, находящегося под нагрузкой.

Из изложенного знаем, что в общем случае в трансформаторе w₁≠w₂; E₁≠E₂ и I₁≠I₂ . Это часто затрудняет построение векторной диаграммы, так как длины векторов первичной и вторичной цепей могут очень сильно отличаться. Особенно это характерно для трансформаторов с большим значением коэффициента трансформации. Такой диаграммой практически невозможно пользоваться. Проблема устраняется, если при построении векторов величин, относящихся к вторичной обмотке, использовать не абсолютные их значения, а величины, приведенные к первичной обмотке. Для этого условно принимается, что вторичная обмотка имеет число витков, равное числу витков первичной обмотки. Тогда ЭДС вторичной обмотки, приведенная к числу витков первичной обмотки, будет равна:

(2.26)

Приведенный ток получаем из условия неизменности МДС вторичной обмотки:

(2.27)

Для построения и расчетов нужно знать также приведенные значения активного, индуктивного и полного сопротивлений вторичного контура:

(2.28)

На рис.2.8 построена векторная диаграмма нагруженного трансформатора с учетом системы уравнений (2.23) и принятого приведения параметров вторичного контура к первичному. При этом взят наиболее часто встречающийся случай, когда нагрузка имеет активно–индуктивный характер. Поэтому для построения диаграммы считаем заданными: напряжение источника U₁, ток I₁ и коэффициент мощности Cosφ₁. По этим данным необходимо в процессе построения векторной диаграммы найти U₂, I₂ и Cosφ₂. Для построения диаграммы отложим вектор вверх, вдоль вертикальной оси координат.

; ;

;

Рис.2.8. Векторная диаграмма трансформатора

при активно-индуктивной нагрузке

Тогда вектор тока должен отставать от него на угол φ₁. Согласно второму уравнению системы (2.23) строим и , строго соблюдая фазу каждого вектора относительно вектора тока . В итоге определяем вектор ЭДС ( ).

Магнитный поток должен, согласно (2.7), отставать от вектора на угол 90^о. Его модуль можно вычислить по формуле:

(2.29)

Под углом α в сторону опережения вектора откладываем вектор тока намагничивания . Угол α определяется с учетом потерь на нагревание в режиме холостого хода и лежит обычно в пределах 5…10^о. Нередко значение помещают в паспорт трансформатора.

Далее из первого уравнения системы (2.23) находим векторную разность и , в результате получаем вектор приведенного тока вторичного контура. Поворачиваем векторы и на 180^о, в результате чего знак перед ними меняется на положительный. С учетом того, что , с учетом третьего уравнения системы (2.23) строим векторы падений напряжения на активном ( ) и индуктивном ( ) сопротивлениях вторичного контура с учетом их сдвига относительно вектора тока. В итоге находим вектор и далее – угол φ_2.

Правильно построенная векторная диаграмма трансформатора, работающего под нагрузкой, позволяет с достаточной точностью прогнозировать поведение трансформатора при изменении режима работы, характера или величины нагрузки.

2.5. Энергетический баланс трансформатора

Пользуясь векторной диаграммой, несложно проанализировать энергетический баланс нагруженного трансформатора. Активная мощность, подводимая к трансформатору от источника, равна:

P₁=U₁I₁Cosφ₁ (2.30)

Произведение U₁·Cosφ₁ в правой части (2.28) можно рассматривать, как проекцию вектора напряжения на направление вектора тока. Согласно рис. 2.8, эта проекция по модулю равна

U₁Cosφ₁=I₁R₁+E₁Cosψ₁ (2.31)

Учтем полученное соотношение в (2.28) и получим:

P₁=I₁²R₁+E₁I₁Cosψ₁ (2.32)

где: I₁Cosψ₁ – проекция вектора на вектор , которую можно выразить и по-другому:

I₁Cosψ₁=I_oa+I'₂Cosφ₂, (2.33)

Подставим последнее в (2.30) и после преобразований окончательно получим:

P₁=I₁²R₁+ E₁I_oa+E₁I'₂Cosψ₂=ΔP_э1+ΔP_м+P_эм (2.34)

В последнем уравнении: ΔP_э1 – потери на нагрев первичной обмотки; ΔP_м - потери на нагрев стали от перемагничивания; P_эм – так называемая электромагнитная мощность, поступившая во вторичный контур.

Электромагнитная мощность за вычетом потерь на нагрев вторичной обмотки передается в нагрузку в виде полезной мощности:

P₂=P_эм - I'₂²·R'₂=U'₂·I'₂·Cosφ₂ (2.35)

Энергетическая диаграмма трансформатора представлена на Рис. 2.9а)

Из неё следует, что не вся мощность Р₁, поступившая в трансформатор из сети, передается нагрузке Р₂. Часть мощности расходуется на нагрев обмоток и магнитопровода самого трансформатора. Поэтому вводится понятие коэффициента полезного действия (КПД) трансформатора

η= Р₂/Р₁ (2.36)

или:

При изменении нагрузки трансформатора его КПД не остается постоянным. Зависимость КПД от нагрузки приведена на рис. 2.9б). Здесь хорошо видно, что с увеличением нагрузки КПД вначале растет и при β=0,45…0,5 (где: β=I'₂²/I'_2ном – коэффициент нагрузки) достигает максимального значения, после чего снова уменьшается. Максимум КПД наступает, когда потери электрические (переменные) становятся равны потерям магнитным (постоянным).

Более глубокий анализ показывает, что КПД зависит также и от характера нагрузки: активно-индуктивная, активная или активно-емкостная.

Рис.2.9. Энергетический баланс трансформатора

2.6. Режим короткого замыкания трансформатора

Короткое замыкание трансформатора – это такой режим, когда вторичная обмотка замкнута накоротко (Z_н=0). Если при этом трансформатор подключить к источнику с напряжением U₁=U_1ном, то в его цепях будут протекать недопустимо большие токи. Напряжение на зажимах вторичной обмотки при этом будет равно нулю. Чтобы не вывести трансформатор из строя, при проведении опыта КЗ к его первичной обмотке подводят пониженное напряжение U_k. Его величина подбирается такой, чтобы токи в обмотках были равны их номинальным значениям (I_1k=I_1ном; I_2k=I_2ном). Такая величина первичного напряжения называется номинальным напряжением короткого замыкания U_kном. В технической документации его обычно выражают в процентах от номинального напряжения питания:

U_k%=(U_k/U_1ном)•100 (2.37)

Обычно для силовых трансформаторов это напряжение находится в пределах 5…14%, в зависимости от мощности.

Как следует из (2.27), магнитный поток в сердечнике трансформатора практически пропорционален первичному напряжению U₁. Но поскольку u_k составляет лишь незначительную долю от U₁, то и магнитный поток в сердечнике будет соответственно мал. Для его создания потребуется ничтожно малый ток намагничивания, которым можно пренебречь. Тогда из (2.23) имеем:

(2.38)

(2.39)

где: Z_k – полное сопротивление трансформатора в режиме КЗ, приведенное к зажимам его первичной обмотки. Оно включает в себя активную и реактивную составляющие:

Z_k= (2.40)

Из изложенного следует, что на основе опыта КЗ можно определить активное, реактивное и полное сопротивления короткого замыкания трансформатора. Для этого нужно собрать схему, показанную на рис. 2.10. Со стороны его первичной обмотки включены вольтметр V, амперметр А и ваттметр W. По показаниям этих приборов определяем коэффициент мощности в режиме КЗ:

Cosφ_k=P_1k/U_1kI_1k , (2.41)

а затем – вычисляем параметры короткого замыкания:

Z_k=U_1k/I_1k ; R_k=Z_kCosφ_k ; x_k= (2.42)

; ;

;

Рис.2.10. Опыт короткого замыкания.

Так как мы пренебрегли током намагничивания из-за его малой величины, то можно считать, что ваттметр W будет показывать активную мощность, потребляемую трансформатором на нагрев обмоток:

P_k=I_1k²R_k (2.43)

Отсюда также можно вычислить активное сопротивление короткого замыкания:

R_k=P_k/I_1k² (2.44)

На практике опыт КЗ всегда проводят для определения параметров короткого замыкания трансформатора.

2.7. Внешняя характеристика трансформатора

Важным эксплуатационным параметром трансформатора является изменение вторичного напряжения при изменении нагрузки. Изменение напряжения (ΔU %) можно выразить как отношение разности напряжений на холостом ходу и под нагрузкой к напряжению холостого хода:

(2.45)

Выше было выполнено приведение параметров вторичного контура к первичному контуру трансформатора. С учетом такого приведения можно считать, что КU_2o=U^'_2о=U_1ном, а также – КU₂= U^'₂. Тогда получим:

(2.46)

Практическое значение имеет возможность расчетного определения вторичного напряжения, что можно сделать по формуле:

(2.47)

Необходимое для вычислений изменение напряжения находим, если известны номинальные данные и параметры первичного контура, а также - характер нагрузки (фазовый угол φ₂):

(2.48)

На рис. 2.11а) для наглядности представлен график зависимости ΔU=f(β) при Cosφ₂= Const, а на рис. 2.11б) - график ΔU=f(Cosφ₂) при β= Const.Здесь видно, что отрицательные значения ΔU при работе трансформатора с емкостной нагрузкой (-φ₂) соответствует повышению выходного напряжения при переходе от холостого хода к нагрузке.

Величина изменения напряжения связана с параметрами КЗ трансформатора. Эту зависимость можно получить, если выражение (2.46) несколько преобразовать:

(2.49)

Из последнего уравнения следует, что при φ_к=φ₂ и β=1 имеем:

ΔU=u_k (2.50)

; ;

при _к = ₂ и  = 1 имеем: U = u_k

Рис.2.11. Изменение напряжения

и внешняя характеристика трансформатора

Приведенная на рис. 2.11в) зависимость U₂=f(β),построена при условии, что напряжение в сети постоянное и равно номинальному напряжению трансформатора (U₁=U_1ном=Const) и Cosφ₂=Const, называется внешней характеристикой трансформатора. Она показывает изменение вторичного напряжения трансформатора в зависимости от величины и вида нагрузки. Характер зависимости изменения напряжения от величины нагрузки зависит от коэффициента мощности нагрузки. На рис. 2.11в) эти зависимости показаны при различных значениях Cosφ₂. На рисунке хорошо видно, что при чисто активной нагрузке (φ₂=0) наблюдается заметное снижение вторичного напряжения с увеличением тока I'₂. При активно-индуктивной нагрузке (φ₂>0) наблюдается еще большее снижение напряжения на зажимах вторичной обмотки. Что же касается активно-емкостной нагрузки (φ₂<0), то здесь наблюдается обратная картина: вторичное напряжение с увеличением нагрузки растет.

Таким образом, зная напряжение и параметры КЗ, при β=1 можно легко определить изменение напряжения в номинальном режиме работы.

Для поддержания напряжения у потребителя в заданных стандартом пределах в трансформаторах предусматривается возможность его регулирования. С этой целью обмотки ВН понижающих трансформаторов снабжают регулировочными ответвлениями. Переключением этих ответвлений достигается ступенчатое изменение коэффициента трансформации в некоторых пределах. Пример схемы трансформатора с регулировочными ответвлениями показан на рис. 2.12. Здесь регулирование достигается переключением отводов X₁;X₂ и X₃ обмотки ВН с помощью переключателя «П».

Рис.2.12. Регулирование напряжения трансформатора:

ВН и НН – обмотки высшего и низшего напряжения; X₁, X₂ и X₃ – регулировочные отводы; П – переключатель; Z_н – нагрузка трансформатора.

2.8. Трехфазный трансформатор

В электроснабжении различных объектов чаще всего используется трехфазная система токов и применяют трехфазные трансформаторы двух вариантов.

Первый вариант: для преобразования трехфазного напряжения используют три одинаковых однофазных трансформатора. Их обмотки соединяют по определенной схеме, характерной для трехфазной системы. Один из вариантов схемы представлен на рис. 2.13а). Трехфазный трансформатор, собранный по такой схеме, называется групповым. Каждый из трансформаторов группы содержит по две обмотки: первичную и вторичную. Начала и концы обмотки ВН в группе обозначают большими буквами: начала катушек А, В и С, а соответствующие им концы – X, Y и Z. Те же выводы обмотки НН обозначают малыми буквами a, b и с, начала катушек, а x, y, z – их концы.

Рис. 2.13. Варианты трехфазного трансформатора:

а) – групповой; б) – стержневой.

Обмотки ВН образуют трехфазную систему катушек А-X; В-Y и С-Z. На рис.2.13а) для примера их выводы X, Y и Z объединены, образуя соединение катушек, называемое «звездой». Несложно заметить, что обмотки НН в рассматриваемом примере также соединены «звездой». Групповой трансформатор обеспечивает высокую симметрию выходного напряжения.

Второй вариант предусматривает один общий магнитопровод для всех трех фаз. На этом магнитопроводе размещают по три катушки ВН и НН. Схематически такой трансформатор показан на рис.2.13б). Вертикальные части 1 его магнитопровода называют стержнями, а соединяющие их горизонтальные участки – ярмами. Возможность такого решения объясняется тем, что магнитные потоки трехфазной системы, создаваемые каждой фазой, во времени сдвинуты друг относительно друга на угол 2π/3. Это дает возможность замкнуть поток, например, фазы А через стержни фаз В и С, не вводя их в состояние насыщения. Подобные случаи совмещения встречно направленных потоков можно выявить и в ярмах. Поэтому нет необходимости создавать для каждого потока свой отдельный путь, как это сделано в групповом трансформаторе.

Трансформатор, изображенный на рис.2.13б), называют трехстержневым, а чаще – просто стержневым. К его недостатку можно отнести некоторую магнитную несимметрию. Магнитная несимметрия сердечника обусловливает несимметрию токов намагничивания. Так, намагничивающий ток фазы, размещенной на среднем стержне, может оказаться на 10…15% меньше, чем в двух других фазах. Однако, под нагрузкой эта несимметрия мало заметна, так как намагничивающий ток невелик по сравнению с его номинальным током.

В связи с изложенным можно сделать вывод, что при симметричном напряжении в сети и симметричной нагрузке все фазы трехфазного стержневого трансформатора находятся в одинаковых условиях. Поэтому для каждой отдельной фазы оказываются справедливыми все рассуждения и расчеты, приведенные выше для однофазного трансформатора.

Обмотки трехфазного трансформатора могут соединяться по различным схемам: звезда, треугольник и зигзаг. Кроме этого, при соединении звездой или зигзаг нередко делают вывод от точки соединения фаз, который именуют нулевым проводом. В таблице (см. рис. 2.14) приведены некоторые варианты схем соединения обмоток, соответствующие им векторные диаграммы фазных напряжений и условное обозначение этих схем в технической документации.

Рис.2.14. Схемы соединения обмоток

трехфазных трансформаторов

Следует отметить, что при соединении Y;Z фазные напряжения действуют только на отдельных фазах обмотки. По отношению к линейным проводам, подключенным к трансформатору от внешней сети, действуют линейные напряжения, равные разности потенциалов между начальными зажимами фазных катушек. Фазные и линейные напряжения соотносятся между собой по своей величине, как

(2.51)

Схема соединения зигзаг требует большего расхода провода, поэтому трансформаторы с такой схемой вторичной обмотки применяют только в случае заведомо несимметричной нагрузки.

В некоторых установках два или больше трансформаторов работают параллельно на общую нагрузку. Это позволяет повысить надежность электроснабжения потребителей. На рис.2.15. показана принципиальная схема параллельного включения двух трехфазных трансформаторов. Они соединены с общей сетью по первичной и вторичной сторонам.

Рис.2.15. Параллельное включение

трехфазных трансформаторов

Для нормальной параллельной работы трансформаторов в такой схеме нужно, чтобы разность потенциалов между зажимами одноименных фаз всегда была равна нулю. В этом случае не будут возникать уравнительные токи I_ур, которые могут возникнуть в замкнутом контуре, образуемом одноименными фазами и соединяющими их проводами. Возможный путь протекания такого уравнительного тока в фазах а , b и а' , b' показан на рис. 2.15. пунктирной линией.

Кроме этого нужно также, чтобы нагрузка распределялась между трансформаторами пропорционально их номинальной мощности. Поэтому для обеспечения надежной работы трансформаторов при параллельном включении необходимо соблюдать четыре условия.

Первое: при равенстве номинальных первичных напряжений и ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов должны быть также равны. Это значит, что трансформаторы должны иметь одинаковый коэффициент трансформации. Согласно стандарту параллельная работа трансформаторов возможна, если разница в коэффициентах трансформации не превышает 0,5% их среднего значения:

(2.52)

При несовпадении К₁ и К₂ в пределах установленной нормы на выводах вторичных обмоток устанавливается напряжение в соответствии со средним значением коэффициентов трансформации. Возникающий при этом уравнительный ток будет находиться в допустимых пределах.

Втрое: ЭДС во вторичных обмотках должны совпадать по фазе. Это условие выполняется, если у трансформаторов одинаковая группа соединения обмоток. Если трансформаторы принадлежат к разным группам, то ЭДС в их одноименных фазах оказываются сдвинутыми во времени друг относительно друга, что может привести к недопустимым значениям уравнительных токов. Для трехфазных трансформаторов существует 12 групп соединения обмоток. Группа соединения должна быть указана в паспорте и на заводском знаке.

Третье: равенство напряжения короткого замыкания (u_k1=u_k2). Согласно нормативам эта разница не должна превышать 10% от их среднеарифметического значения:

u_k1 - u_k2≤ (2.53)

Выполнение этого условия обеспечивает оптимальное распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами. Если же это условие не выполняется и трансформатор с меньшим значением u_k нагружается номинальной мощностью, то второй трансформатор окажется недогруженным. Если же полностью загрузить второй, то первый будет перегружен и может выйти из строя.

Четвертое: не рекомендуется включать на параллельную работу трансформаторы, мощность которых отличается более, чем в три раза. Это объясняется тем, что соотношение между активной и реактивной составляющими напряжения короткого замыкания этих трансформаторов отличается очень сильно и это приведет к большому несовпадению по фазе их токов холостого хода, к недопустимой перегрузке трансформатора меньшей мощности.

Силовые трехфазные трансформаторы допускают регулирование выходного напряжения в некоторых пределах. Это улучшает качество электрической энергии, обеспечивает нормальные условия работы потребителей. Правилами устройства электроустановок не допускается отклонение напряжения у потребителей более, чем на ±5 % его номинального значения. Для его регулировки одна из обмоток выполняется с промежуточными выводами (отпайками). Это дает возможность изменять число витков обмотки и тем самым менять коэффициент трансформации. Ступенчатое переключению дает ступенчатое изменение напряжения. В зависимости от класса напряжения и исполнения трансформаторов в них используют однофазные и трехфазные переключатели различных конструкций. Однофазный переключатель барабанного типа устанавливают на каждой фазе обмотки ВН.

Различают трансформаторы, допускающие переключение обмоток в обесточенном виде (ПБВ – переключение без возбуждения) и позволяющие регулировать напряжение непосредственно под нагрузкой (РПН – регулирование под нагрузкой). Переключения на трансформаторе с ПБВ выполняют в зависимости от изменения нагрузки один – два раза в год. Трансформаторы с РПН имеют большее число ступеней регулирования (от 8 до 24-х) и допускают регулирование напряжения до ±16 % от его номинального значения. При этом напряжение регулируется путем перехода с одной отпайки на другую без разрыва цепи рабочего тока. Переключатель приводится в действие специальным электродвигателем, что обеспечивает дистанционное управление. Команда на изменение коэффициента трансформации подается от блока автоматики, контролирующего выходное напряжение трансформатора и ток нагрузки.

При скачкообразном изменении параметров электрических цепей протекающий в них ток не может изменяться также скачкообразно. Переход от одного установившегося режима к другому всегда требует какого-то времени, в течение которого в цепях протекают так называемые переходные процессы.

При всяком скачкообразном изменении режима работы трансформатора (включение, выключение, переключение числа витков, наброс или сброс нагрузки, внезапное короткое замыкание и т.п.) вызывает протекание в цепях трансформатора переходных процессов. Это связано с тем, что запасенная в магнитном поле трансформатора энергия не может меняться скачком. В наиболее неблагоприятном виде переходные процессы проявляются в аварийных случаях. И хотя они длятся, как правило, доли секунды, за это короткое время протекающие в обмотках токи могут достигать очень больших значений. Это может привести к недопустимому перегреву обмоток, пробою изоляции и даже – к чисто механическим повреждениям токоведущих частей. Наиболее тяжелым режимом считается внезапное трехфазное короткое замыкание, так как оно сопровождается наибольшим всплеском мгновенного значения тока в переходном процессе.

Максимальной величины мгновенный ток короткого замыкания может достичь в первый полупериод действия тока. Для промышленной частоты (50гц) длина этого полпериода составляет всего 0,01 сек. Это ток называют ударным током короткого замыкания. Он характеризуется ударным коэффициентом, которым определяют, во сколько раз ударный ток больше величины установившегося короткого замыкания. Ударный коэффициент теоретически лежит в пределах 1≤ К_уд ≤2. Реально для силовых трансформаторов он принимает значения К_уд = 1,2…..1,85.

2.9. Автотрансформаторы

Обмотки обычного трансформатора электрически разобщены и имеют только магнитную связь. Автотрансформатор – это разновидность трансформатора, в котором имеется электрическая связь между первичной и вторичной обмотками. Конструктивная (а) и электрическая (б) схемы однофазного автотрансформатора показаны на рис.2.16. Обмотка w_АХ с выводами «а» и «Х» размещена на общем сердечнике со вторичной обмоткой w_ax, имеющей выводы «а» и «х». Причем, вывод “Х” соединен с выводом «а». Нагрузка Z_н подключена к выводам вторичной обмотки «а» и «х». Если первичное напряжение подключено к выводам «А» и «x», как показано на рисунке, то автотрансформатор является понижающим. Отличительной особенностью такого автотрансформатора является то, что его вторичная обмотка w_ax является одновременно и частью первичной обмотки с числом витков

w₁=w_AX+w_ax (2.54)

; или

Проходная мощность:

Расчетная мощность:

Рис.2.16. Устройство и принцип работы

автотрансформатора

Как показано на рисунке, в этих обмотках протекают разные токи. Предположим, по аналогии с рассмотренным выше трансформатором, что в цепи источника с напряжением U₁ протекает ток I₁, а в цепи нагрузки – ток I₂. Тогда в обмотке w_ax эти токи складываются с учетом фазового сдвига во времени и для точки «а» можно записать согласно первому закону Кирхгофа:

I₂=I₁+I₁₂ или I₁₂=I₁ – I₂ (2.55)

Предположим также, что коэффициент трансформации в рассматриваемом случае не намного больше единицы. Тогда токи I₁ и I₂ мало отличаются друг от друга. Поэтому ток I₁₂ в этом случае оказывается относительно малым, что дает возможность выполнить обмотку w_ax более тонким проводом. Это позволяет сэкономить некоторое количество дорогостоящей меди.

Автотрансформатор характеризуется проходной и расчетной мощностью. Проходная мощность равна полной мощности, передаваемой нагрузке:

S_пр=U₂I₂ (2.56)

Расчетная мощность S_расч – это та часть мощности, которая передается во вторичную цепь с помощью магнитного потока. От величины этой мощности зависят габариты и вес автотрансформатора. Расчетная мощность составляет лишь часть проходной мощности. Это объясняется тем, что энергия от источника к нагрузке в автотрансформаторе поступает двумя путями: за счет магнитной связи обмоток и через электрическую связь первичной и вторичной цепей. Поэтому с учетом (2.52) можно записать:

S_пр=U₂I₂=U₂(I₁+I₁₂)=U₂I₁+U₂I₁₂=S_э+S_расч (2.57)

где: S_э – мощность, передаваемая из первичной цепи автотрансформатора во вторичную за счет электрической связи между этими цепями.

Таким образом, расчетная мощность автотрансформатора S_расч = U₂I₁₂ составляет лишь часть его проходной мощности. Это дает возможность при проектировании и изготовлении автотрансформатора использовать магнитопровод меньшего сечения, чем в трансформаторе такой же мощности. Уменьшение объема магнитопровода влечет за собой и экономию меди за счет сокращения длины витка катушки. В конечном итоге уменьшаются потери энергии при той же мощности, КПД автотрансформатора оказывается существенно выше (в крупных автотрансформаторах он достигает 99,7 %).

Имеет смысл глубже проанализировать мощность, передаваемую во вторичный контур автотрансформатора за счет электрической связи:

S_э = U₂I₁ = U₂I₂/k_A = S_пр / k_A (2.58)

То есть, значение мощности S_э обратно пропорционально коэффициенту трансформации автотрансформатора k_A. Из кривой, приведенной на рис.2.16в), хорошо видно, что применение автотрансформатора дает преимущество только при небольших значениях коэффициента трансформации (при k_A≤ 2).

Силовые автотрансформаторы применяют в линиях передачи и распределения электроэнергии для связей сетей смежных напряжений. Такие автотрансформаторы выполняют обычно на большие мощности (до 500 МВА и более). Автотрансформаторы меньшей мощности применяют в электроприводах переменного тока, что позволяет снижать пусковые токи до приемлемых значений. Их также используют для регулирования режимов электропечей на металлургических заводах. Автотрансформаторы малой мощности применяют в устройствах автоматики и связи. Широко известны автотрансформаторы с плавным регулированием коэффициента трансформации – так называемые ЛАТРы (лабораторные автотрансформаторы), используемые в испытательных стендах и лабораторных установках. Наличие скользящего контакта непосредственно с витками катушки позволяет регулировать выходное напряжение практически плавно. Однако заметное увеличение их мощности наталкивается на серьезные проблемы скользящего контакта.

2.10. Устройство силового масляного трансформатора

Современный силовой трансформатор содержит ряд конструктивных элементов, которые можно объединить в три группы: активные части, элементы защиты и охлаждения и устройства контроля и регулирования.

Активные части трансформатора включают в себя магнитопровод, катушки с изоляцией и вводы. Рассмотрим подробнее их конструкцию.

Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции. Во-первых, он образует магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток, а во-вторых – является основой для размещения и крепления обмоток. Магнитопровод, как отмечалось ранее, имеет шихтованную конструкцию и может иметь различные исполнения. Наиболее распространенные из них – стержневое и броневое. На рис. 2.17 показано устройство стержневого (а) и броневого (б) магнитопроводов трехфазного трансформатора. Более распространены трансформаторы со стержневым магнитопроводом (рис.2.17а), отличающиеся компактностью. Здесь имеется три вертикальных стержня 1, на которых расположены обмотки 2. Сверху и снизу стержни соединены ярмами 3. Соединение стержней с ярмами выполняется так, чтобы в результате перемыкания их пластин не возникали пути для протекания вихревых токов. Одновременно требуется, чтобы магнитное сопротивление соединения было минимальным. По способу решения этой задачи различают стыковую сборку магнитопровода и шихтовку впереплет.

1 – стержни; 2 – обмотки; 3 – ярма.

Рис.2.17. Устройство стержневого (а) и броневого (б)

магнитопровода трехфазного трансформатора

При стыковой сборке (рис. 2.18а) стержни и ярма собирают отдельно. После насаживания катушек на стержни к их торцам прижимают верхнее и нижнее ярма. Направление прижатия на рисунке показано стрелками. Для предотвращения замыкания пластин в месте стыка прокладывают изолирующие прокладки. Стыковая конструкция применяется только в маломощных, большей частью – однофазных, трансформаторах.

Стыковая шихтовка

Шихтовка впереплет

Рис.2.18. Способы шихтовки

Шихтовка впереплет характерна для трехфазных стержневых трансформаторов. Принцип её выполнения показан на рис. 2.18б. Здесь показаны нечетные (НЧ) и четные (Ч) слои пластин. Обычно каждый слой выполняется в 2 – 3 листа. На рисунке хорошо видно, что слои, накладываемые поочередно друг на друга, перекрывают друг у друга мест стыка пластин. Это обеспечивает прочность магнитопровода без дополнительной стяжки, а магнитное сопротивление в месте стыка обеспечивается минимальное. Недостаток этого способа шихтовки состоит в том, что он более трудоемок, а для насадки обмоток приходится расшихтовывать и затем вновь зашихтовывать верхнее ярмо.

С целью повышения заполнения полости обмоток сталью стержням нередко придают ступенчатую форму. Пример такого стержня показан на рис.2.19а). Здесь представлены: 1 –обмотка; 2 – ступени стержня; 3 – охладительные каналы, которые предусматриваются в трансформаторах повышенной мощности. После сборки стержни стягивают бандажами из стекловолокна, а ярма – специальными ярмовыми балками 1 и шпильками 2, как показано на рис. 2.19б). Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют изолированным обмоточным проводом круглого или прямоугольного сечения. По взаимному расположению обмоток ВН и НН на стержне их разделяют на чередующиеся и концентрические.

Чередующиеся обмотки выполняют в виде отдельных секций катушек ВН и НН. Их располагают на стержне магнитопровода в чередующимся порядке. Такие обмотки применяют редко только в специальных конструкциях трансформаторов.

Концентрические обмотки выполняют в виде катушек цилиндрической формы разного диаметра. Это позволяет установить их на стержне соосно, как показано на рис. 2.19в). Катушка НН 1 имеет меньший диаметр, поэтому она располагается ближе к поверхности стержня. Катушка ВН 2 имеет больший диаметр и охватывает катушку НН. Поэтому её провода больше удалены от поверхности стержня. Это важно с точки зрения обеспечения электрической прочности изоляции обмоток. Концентрические обмотки широко используются в силовых трансформаторах. Они могут иметь различное исполнение: цилиндрические, винтовые и непрерывные.

Рис.2.19. Устройства активных элементов

силового трансформатора

Пример конструкции цилиндрической катушки показан на рис. 2.20а). При её изготовлении витки 1 провода наматывают на бакелитовый цилиндр 2. Последний служит основанием катушки. Витки наматываются слоями так, чтобы они были тесно прижаты друг к другу. Если обмотка выполняется многослойной, то между слоями прокладывают дополнительную межслойную изоляцию 3 в виде тонкого прессшпана или пленки. Выводы 4 выполняются тем же проводом путем его отгиба от крайнего витка с закреплением бандажом из изоляционной ленты. Цилиндрическая катушка может быть применена в обмотке НН (толстым проводом с малым числом слоев) или в обмотке ВН (более тонким проводом с большим числом слоев).

Рис.2.20. Катушки силового трансформатора:

многослойная цилиндрическая (а) и одноходовая винтовая (б)

Винтовая катушка по конструкции несколько напоминает цилиндрическую, но выполненную в один слой с охладительными каналами между соседними витками (рис. 2.20б). Катушку мотают несколькими проводами впараллель, что обеспечивает большое суммарное сечение провода. Чтобы паралледьные проводники обтекались одинаковым током, по мере намотки катушки выполняют их транспозицию. Это – перекладывание проводников с той целью, чтобы среднее расстояние каждого параллельного провода от поверхности стержня было одинаковым. Для выполнения такого перекладывания приходится периодически проводники изгибать «на ребро», как показано на рис. 2.20в). Пример выполнения групповой транспозиции показан на рис.2.20г). Винтовые катушки применяют в обмотках НН.

Непрерывные катушки состоят из отдельных секций (дисков) 1, намотанных их прямоугольного провода по спирали (см. рис. 2.21). Все секции катушки выполнятся одним непрерывным проводом, что требует применения специальных технологических приемов намотки. Между секциями имеются охладительные каналы, ширина которых определяется толщиной дистанционных прокладок 2. Непрерывные катушки сложны в изготовлении, но отличаются компактностью, прочностью и высокой надежностью. Поэтому в силовых трансформаторах они часто применяются в качестве обмоток ВН и НН.

Силовые трансформаторы бывают с воздушным и масляным охлаждением. Воздушное охлаждение обеспечивается тем, что активная часть трансформатора остается открытой, охлаждение обеспечивается естественной или принудительной (обдув) конвекцией окружающего воздуха. Такое решение характерно для маломощных трансформаторов до 20 кВА

Более мощные трансформаторы выполняют с масляным охлаждением. На рис.2.22 показана типовая конструкция силового масляного трансформатора мощностью 20 – 1800 кВА.

Рис.2.21. Непрерывная катушка:

1 – секции; 2 – дистанционные прокладки.

Рис.2.22. Конструкция масляного силового трансформатора:

1 – выемная часть трансформатора; 2 – крышка; 3 – щпильки; 4 – обмотка ВН; 5 – обмотка НН; 6 – бак; 7 – трубы охладителя;

8 – расширитель; 9 – патрубок; 10 – выхлопная труба; 11 – газовое реле; 12 – рукоятка переключателя; 13 – переключатель.

Трансформатор имеет выемную часть, включающую в себя магнитопровод с обмотками 1 и крышку 2 бака, которая закреплена на верхних ярмовых балках с помощью шпилек 3. На крышке закреплены вводы ВН 4 и НН 5, которые выполнены с применением проходных изоляторов. Выемная часть располагается в стальном баке 6. После её загрузки в бак последний герметично с использованием уплотнительной прокладки закрывается крышкой 2 и заполняется трансформаторным маслом. К баку приварены трубы 7 системы охлаждения масла. Циркуляция масла возникает вследствие естественной конвекции при нагреве активной части.

В трансформаторах мощностью 75 кВА и выше на крышке устанавливают расширитель масла 8. Он представляет собой стальной сосуд, соединенный с баком патрубком 9. Масло заливают в бак в таком количестве, чтобы его верхний уровень при крайних значениях температуры оставался в пределах расширителя. Уровень масла контролируется с помощью специальным указателем в виде мерного стекла.

В случае чрезмерного перегрева масла в аварийном режиме защита бака от повреждения обеспечивается выхлопной трубой 10, которая также располагается на крышке. Труба закрыта стеклянной мембраной, которая лопается при превышении допустимого значения давления газов. В патрубке 9 вмонтировано газовое реле 11, сигнализирующее о возникновении аварийного режима, сопровождающегося разложением масла и выделением газов. На крышке также расположена рукоятка 12 переключателя 13 регулятора напряжения.

Ко дну бака прикреплена тележка, позволяющая перемещать его на некоторое расстояние при монтаже или обслуживании.

Трансформаторное масло, залитое в бак, периодически проверяют на влажность, кислотность, наличие загрязнений, Для этого периодически отбирают пробы масла и направляют в лабораторию. В случае необходимости производят очистку, сушку, восстановление или замену масла.

3. Заключительная часть