1. Устройство однофазных и трехфазных трансформаторов. Принцип действия однофазного трансформатора. Однофазный трансформатор устройство и принцип действия

K00K20ER

1. Однофазный трансформатор: назначение и область применения.

2. Однофазный трансформатор: устройство, принцип действия, коэффициент трансформации.

3. Уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора.

1. Однофазный трансформатор: назначение и область применения.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения той же частоты.

Назначение трансформатора отражено в его определении.

Трансформаторы находят очень широкое применение в электрических сетях, являясь неотъемлемой частью энергосистемы. Передача электрической энергии по линиям электропередач осуществляется при высоких напряжениях - до 500 кВ и выше (до 1150 кВ), т.к. при этом для передачи той же мощности требуется меньший ток, а это ведет к снижению потерь в проводах. Поэтому на подстанциях с помощью трансформаторов на передающей стороне повышают напряжение, а на приемной снижают. Такие трансформаторы называются силовыми. Кроме того существуют измерительные трансформаторы, сварочные и др. В электронных устройствах трансформаторы часто используют для гальванического разделения цепей.

Трансформаторы также относятся к электрическим машинам, хотя в прямом смысле они не относятся (не имеют движущихся частей). Однако основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс трансформатора, применимы и к электрическим машинам.

2. Однофазный трансформатор: устройство, принцип действия, коэффициент трансформации.

Рассмотрим устройство трансформатора:

На замкнутом магнитопроводе, выполненном из магнитомягкой листовой стали, расположены две (или более) катушки (обмотки). К одной из обмоток подводится электрическая энергия от источника переменного тока. Эта обмотка называется первичной. От другой, вторичной, обмотки с числом витков W2 энергия отводится к приемнику. Все величины, относящиеся к этим обмоткам (токи, напряжения, мощности и т.п.) называются соответственно первичными или вторичными.

Под действием переменного напряжения U1, подведенного к первичной обмотке, в ней возникает ток I1, а в сердечнике возбуждается соответственно изменяющийся магнитный поток Ф. Этот поток пересекает витки

обеих обмоток трансформатора и индуктирует в них ЭДС:

;

В каждый момент времени отношение этих ЭДС пропорционально отношению количества витков обмоток:

Если цепь вторичной обмотки замкнута, то под действием ЭДС Е2

возникает ток I2.

При синусоидальном изменении напряжения питания U1 с частотой f поток в магнитопроводе Ф оказывается практически синусоидальным. Действующие значения ЭДС в обмотках можем найти по формуле:

E1 = 4,44 W1 f Фm;

E2 = 4,44 W2 f Фm.

Отношение этих ЭДС

принято называть коэффициентом трансформации. Приближенно можно принять, что ЭДС обмоток равны напряжениям на их зажимах, т.е.

Полученное равенство характеризует основное назначение трансформатора - преобразование одного напряжения в другое, большее или меньшее.

Цепи высшего и низшего напряжения электрически изолированы друг от друга и связаны лишь магнитным потоком, замыкающимся в сердечнике трансформатора. Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается весьма малыми потерями энергии: величина КПД при номинальной нагрузке изменяется в пределах 0,96 - 0,996 в зависимости от мощности трансформатора. Этим объясняется исключительно большое распространение трансформаторов в современной технике.

Однофазный трансформатор с ферромагнитным сердечником был предложен выдающимся русским изобретателем П.Н.Яблочковым в 1876 г.

3. Уравнения электрического и магнитного состояний

трансформатора.

Представим трансформатор в упрощенном виде. Пренебрежем потоками рассеяния и активным сопротивлением обмоток:

Фs1 = 0; Фs2 = 0; R1 = 0; R2 = 0.

Такой трансформатор называется идеальным трансформатором.

Для идеального трансформатора по второму закону Кирхгофа можно записать уравнения электрического состояния обмоток:

;

Согласно закону электромагнитной индукции можно записать:

где - потокосцепление, = Li.

Возьмем отношение:

Это уравнение отражает важнейшее свойство идеализированного трансформатора преобразовывать напряжение без искажения формы.

Так как на W1 подается переменное напряжение, то

Выразим "е" через "Ф":

так как

Получили амплитудное значение ЭДС:

Найдем действующее значение ЭДС:

По аналогии для вторичной обмотки:

Эти уравнения для идеализированного трансформатора используются при анализе электрических процессов в трансформаторе.

Теперь учтем наличие потоков рассеяния Фs1 и Фs2 и активное сопротивление обмоток R1 и R2. Запишем с учетом этих величин уравнение по второму закону Кирхгофа для первичной и вторичной обмоток трансформа-

тора:

Параметр представляет собой падение напряжения на индуктивности и в комплексной форме записывается как j X1 I1.

Перейдем к комплексным значениям параметров:

U1 = - E1 + j X1 I1 + R1 I1 = - E1 + I1 (R1 + j X1) = - E1 + I1 Z1

Получили уравнение электрического состояния первичной обмотки

трансформатора в комплексной форме.

Для вторичной обмотки

Получили уравнение электрического состояния для вторичной обмотки трансформатора.

Трансформатор - электромагнитное устройство. Для него справедлив закон полного тока:

где Н - напряженность магнитного поля,

lср - длина средней магнитной линии сердечника.

Рассмотрим 2 режима работы: холостой ход и режим номинальной нагрузки.

Для холостого хода:

Для номинальной нагрузки:

Правые части уравнений неизменны, поэтому приравниваем между собой левые части:

Поделим каждый член на W1 и частично преобразуем

,

где I10 - ток холостого хода или намагничивающий ток,

- приведенный ток вторичной обмотки.

Знак " - " в уравнении отражает размагничивающее действие тока I2.

Таким образом, ток первичной обмотки можно представить как сумму двух токов: приведенный ток вторичной обмотки I2| плюс намагничивающий ток I10.

Еслт сердечник идеален, то

I10 = 0 и 0 = I1 W1 + I2 W2

Таким образом, трансформация тока осуществляется без искажения формы:

studfiles.net

Однофазный трансформатор. Принципы работы. Основные параметры

Устройство, состоящее из двух или нескольких индуктивно связанных катушек, называется трансформатором.

Трансформатор - это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Наибольшее распространение получили однофазные и трехфазные трансформаторы.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Простейший однофазный трансформатор состоит из двух катушек, расположенных на ферромагнитном сердечнике. (рис. 3.3.1)

рис. 3.3.1

Обмотка, к которой подключен источник энергии, называется первичной, а обмотка, к которой подключается нагрузка, называется вторичной.

При подключении первичной катушки к источнику переменного тока по ней потечет ток I1, который создает магнитный поток ф. Часть этого потока пересекает витки вторичной катушки, индуцируя в ней ЭДС взаимной индукции. Так как вторичная катушка замкнута на нагрузку, то по вторичной цепи потечет ток I2.

Таким образом, энергия от источника за счет магнитной связи между катушками передается в нагрузку.

Основными параметрами трансформатора являются: коэффициент трансформации, коэффициент полезного действия и мощность потерь.

Коэффициентом трансформации называется отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки.

Если , то трансформатор называется понижающим (U1 U2), а если n 1 - то повышающим.

U2 - напряжение на первичной обмотке;

U2 - напряжение на вторичной обмотке;

W1 – число витков первичной катушки;

W2 - число витков вторичной катушки

 

Коэффициент полезного действия (КПД) называется отношение полезной мощности, выделяемой в нагрузке, к затраченной мощности, потребляемой от источника, выраженное в процентах.

Р1 – полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

Р2 – затраченная мощность, потребляемая от источника;

Рсм = Рчистер + Рвихр.токи

Рм1 – мощность тепловых потерь в первичной катушке;

Рм2 - мощность потерь во вторичной катушке;

Рсм – мощность потерь в сердечнике, обусловленная потерями на гистерезис и вихревые токи.

Общие потери – это разность мощностей источника и потребителя энергии.

в понижающем трансформаторе

в повышающем трансформаторе

При расчете трансформаторов и аппаратуры с их использованием применяют схему замещения приведенного «трансформатора», в которой элементы электрической схемы учитывают физические процессы, происходящие в реальном трансформаторе.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется трансформатором?

2. На чем основан принцип действия трансформатора?

3. Приведите схему однофазного трансформатора?

4. Что называется коэффициентом трансформации?

5. Какой трансформатор называется понижающим, а какой – повышающим?

6. Как определяется КПД трансформатора?

7. Из чего складываются потери трансформатора?

 

 

Тема №2: Электрические машины [Яцкевич]

Устройство и принцип действия машин постоянного тока.

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: подвижной и неподвижной. Неподвижная часть — индуктор представляет собой электромагнит, имеющий одну или несколько пар полюсов. Он состоит из станины, полюсов и обмоток возбуждения, расположенных на полюсах. Под действием постоянного тока, протекающего по обмоткам возбуждения, полюса намагничиваются. Таким образом, создается магнитный поток машины.

Вращающаяся часть машины - якорь состоит из вала, сердечника и обмотки якоря, соединенной с коллектором. Якорная обмотка через коллекторные пластины и прилегающие к ним контактные щетки соединяется с внешней электрической цепью.

Когда якорь генератора вращается каким-либо двигателем, в обмотке якоря, пересекающей магнитный поток полюсов, индуктируется э.д.с. Начальный ток возбуждения в параллельной обмотке возникает под действием небольшой э.д.с., которая индуктируется за счет остаточного магнитного потока, после чего происходит «самовоз­буждение» генератора.

 

Похожие статьи:

poznayka.org

41. Назначение и область применения трансформаторов. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

Трансформатор (от лат. transformo - преобразую) — статическое (не имеющее подвижных частей) устройство по преобразованию переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте без существенных потерь мощности, основанное на принципе электромагнитной индукции. Применение: 1. электросети в связи с необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния (рис. 1.1). Экономически выгодно передавать энергию при высоких напряжениях и малых токах (требуется меньшее сечение проводов). 2. источник питания - Для питания разных узлов электроприборов. Другие применения: 1.Разделительные трансформаторы. Нулевой провод электросети имеет контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании человеком фазового провода и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что создает угрозу поражения электрическим током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора одной рукой вполне безопасно, поскольку вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет. 2. Измерительные трансформаторы. Применяют для измерения очень больших или очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях РЗиА. 3. Импульсные трансформаторы (ИТ). Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса. Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью.

Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. На стержнях магнитопровода, размещаются изолировано друг от друга и от стержня две обмотки с числом витков W и Wсоответственно. Обмотка, к которой подводится электрическая энергия из сети, называется первичной. Обмотка, в которой включается потребитель – вторичной. В зависимости от напряжения различают обмотку высшего напряжения и низшего. Трансформатор работает на принципе электромагнитной индукции: переменный ток , проходя по первичной обмотке, создаёт в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который пронизывает одновременно витки обеих обмоток. При изменении потока во времени в витках индуцируется ЭДС. Поэтому вторичная обмотка может рассматриваться как источник напряжения . Если эту обмотку замкнуть на сопротивление нагрузки Z, то в ней потечёт ток .Из принципа действия трансформатора ясно, что он может работать только на переменном токе. При постоянном напряжении и токе магнитный потокФ не будет изменятся во времени, а значит не будет индуцировать ЭДС E.Однофазные трансформаторы бывают двухобмоточные и многообмоточные (одна первичная и несколько вторичных).Мгновенные значение индуктированной ЭДС одного витка может быть найдено по формуле: . то есть синусоидален.

42. Режим холостого хода трансформатора

Под холостым ходом трансформатора понимается режим его работы при разомкнутой вторичной обмотке. Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного напряжения. Ток i1х первичной обмотки создает переменное магнитное поле, намагничивающее сердечник трансформатора. Магнитный поток в трансформаторе разделим на две части: основной магнитный поток Ф, замыкающийся в сердечнике, и поток рассеяния Ф1S, замыкающийся частично по воздуху. W1 - число витков первичной обмотки,W2- число витков вторичной обмотки; R1 - активное сопротивление первичной обмотки.

Основной магнитный поток изменяется по синусоидальному закону ,  Напряжение на первичной катушке имеет три слагаемых: падение напряжения, напряжение, уравновешивающее трансформаторную ЭДС, напряжение, уравновешивающее ЭДС рассеяния. По второму закону Кирхгофа для первичной обмотки,откуда.это уравнение в комплексной форме, гдеиндуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки. На рис. изображена векторная диаграмма трансформатора, работающего в режиме холостого хода. Векторы трансформаторных ЭДСиотстают на 90° от вектора основного магнитного потока. Вектор напряженияпараллелен вектору тока, а векторопережает вектор токана 90°. Вектор напряжения на зажимах первичной обмотки трансформатораравен геометрической сумме векторов -,,.  На рис2. изображена схема  замещения трансформатора,  соответствующая уравнению  XЭ - индуктивное сопротивление, пропорциональное реактивной мощности, затрачиваемой на создание основного магнитного потока.  В режиме холостого хода.  Коэффициент трансформации.

studfiles.net

Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

Работа однофазового трансформатора вхолостую

Трансформаторами в электротехнике именуют такие электротехнические устройства, в каких электронная энергия переменного тока от одной недвижной катушки из проводника передается другой недвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически.

Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и безпрерывно меняющийся по величине и по направлению.

Рис. 1.

На рис. 1а изображен простой трансформатор, состоящий из 2-ух катушек / и //, расположенных коаксиально одна над другой. К катушке / подводится переменный ток от генератора переменного тока Г. Эта катушка именуется первичной катушкой либо первичной обмоткой. С катушкою //, именуемой вторичной катушкой либо вторичной обмоткой, соединяется цепь приемниками электронной энергии.

Принцип деяния трансформатора

Действие трансформатора заключается в последующем. При прохождении тока в первичной катушке / ею создается магнитное поле, силовые полосы которого пронизывают не только лишь создавшую их катушку, но отчасти и вторичную катушку //. Примерная картина рассредотачивания силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображена на рис. 1б.

Как видно из рисунка, все силовые полосы замыкаются вокруг проводников катушки /, но часть их на рис. 1б силовые полосы 1, 2, 3, 4 замыкаются также вокруг проводников катушки //. Таким макаром катушка // является магнитно связанной с катушкою / при посредстве магнитных силовых линий.

Степень магнитной связи катушек / и //, при коаксиальном расположении их, находится в зависимости от расстояния меж ними: чем далее катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь меж ними, ибо тем меньше силовых линий катушки / сцепляется с катушкою //.

Потому что через катушку / проходит, как мы предполагаем, переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, к примеру по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет изменяться во времени по тому же закону.

К примеру, когда ток в катушке / проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке / проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя свое направление.

В итоге конфигурации тока в катушке / обе катушки / и // пронизываются магнитным потоком, безпрерывно меняющим свою величину и свое направление. Согласно основному закону электрической индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в катушке / индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а в катушке // индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы катушки // соединить с цепью приемников электронной энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; как следует приемники получат электронную энергию. В то же время к катушке / от генератора направится энергия, практически равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой //. Таким макаром электронная энергия от одной катушки будет передаваться в цепь 2-ой катушки, совсем не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в данном случае является только переменный магнитный поток.

Изображенный на рис. 1а трансформатор очень несовершенен, ибо меж первичной катушкой / и вторичной катушкой // магнитная связь невелика.

Магнитная связь 2-ух обмоток, вообщем говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к сгустку, создаваемому одной катушкой.

Из рис. 1б видно, что только часть силовых линий катушки / замыкается вокруг катушки //. Другая часть силовых линий (на рис. 1б — полосы 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки /. Эти силовые полосы в передаче электронной энергии от первой катушки ко 2-ой совсем не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтоб прирастить магнитную связь меж первичной и вторичной обмотками и сразу уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совсем замкнутых стальных сердечниках.

Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 2 однофазовый трансформатор так именуемого стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки c1 и с2 размещены на стальных стержнях а — а, соединенных с торцов стальными же накладками b — b, именуемыми ярмами. Таким макаром два стержня а, а и два ярма b, b образуют замкнутое стальное кольцо, в каком и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это стальное кольцо именуется сердечником трансформатора.

Рис. 2.

Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 3 однофазовый трансформатор так именуемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие любая из ряда плоских катушек, размещены на сердечнике образуемом 2-мя стержнями 2-ух стальных колец а и б. Кольца а и б, окружая обмотки, покрывают их практически полностью вроде бы бронею, потому описываемый трансформатор и именуется броневым. Магнитный поток, проходящий снутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в собственном металлическом кольце.

Рис. 3

Применением стальных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов достигают значимого понижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, практически равны друг дружке. Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и этим же магнитным потоком, мы можем на основании общего закола индукции для моментальных значений электродвижущих сил обмоток написать выражения:

В этих .выражениях w1 и w2 — числа витков первичной и вторичной обмоток, a dФt — величина конфигурации пронизывающего катушки магнитного потока за элемент времени dt, как следует есть скорость конфигурации магнитного потока. Из последних выражений можно получить последующее отношение:

e1 / e2 = w1 / w2

т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках / и // секундные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только лишь по отношению к моментальным значениям электродвижущих сил, да и к их большим и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, практически полностью уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение. Если через E1 и U1 обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать:

Е1 = U1

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки.

Если, аналогично предшествующему, через E2 и U2 обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать:

Е2 = U2

Как следует, приложив к одной катушке трансформатора некое напряжение, можно на концах другой катушки получить хоть какое напряжение, стоит только взять подходящее отношение меж числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витковпервичной обмотки к числу витков вторичной обмотки именуется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации мы будем обозначать kт.

Как следует можно написать:

Е1/Е2 = U1/U2 = w1/w2 = kт

Трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше единицы, именуется повышающим трансформатором, ибо у него напряжение вторичной обмотки, либо так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, либо так именуемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэффициент трансформации больше единицы, именуется понижающим трансформатором, ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.

 

Работа однофазового трансформатора под нагрузкою

При холостой работе трансформатора магнитный поток создается током первичной обмотки либо, точнее, магнитодвижущей силой первичной обмотки. Потому что магнитная цепь трансформатора производится из железа и поэтому имеет маленькое магнитное сопротивление, а число витков первичной обмотки берется обычно огромным, то ток холостой работы трансформатора невелик, он составляет 5—10% обычного.

Если замкнуть вторичную обмотку на какое-либо сопротивление, то с возникновением тока во вторичной обмотке появится и магнитодвижущая сила этой обмотки.

Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила вторичной обмотки действует против магнитодвижущей силы первичной обмотки

Казалось бы, что магнитный поток в данном случае должен уменьшаться, но если к первичной обмотке подведено неизменное по величине напряжение, то уменьшения магнитного потока практически не произойдет.

По правде, электродвижущая сила, индуктируемая в первичной обмотке, при нагрузке трансформатора практически равна приложенному напряжению. Эта электродвижущая сила пропорциональна магнитному сгустку. Как следует, если первичное напряжение повсевременно по величине, то и электродвижущая сила при нагрузке должна остаться практически той же, какой она была при холостой работе трансформатора. Это событие имеет следствием практически полное всепостоянство магнитного потока при хоть какой нагрузке.

Итак, при неизменном по величине первичном напряжении магнитный поток трансформатора практически не изменяется с конфигурацией нагрузки и может быть принят равным магнитному сгустку при холостой работе.

Магнитный поток трансформатора может сохранить свою величину при нагрузке только поэтому, что с возникновением тока во вторичной обмотке возрастает и ток в первичной обмотке и при том так, что разность магнитодвижущих сил либо ампервитков первичной и вторичной обмоток остается практически равной магнитодвижущей силе либо ампервиткам при холостой работе. Таким макаром возникновение во вторичной обмотке размагничивающей магнитодвижущей силы либо ампервитков сопровождается автоматическим повышением магнитодвижущей силы первичной обмотки.

Потому что для сотворения магнитного потока трансформатора требуется, как было обозначено выше, маленькая магнитодвижущая сила, то можно сказать, что повышение вторичной магнитодвижущей силы сопровождается практически таким же по величине повышением первичной магнитодвижущей силы.

Как следует, можно написать: I2w2 = I1w1

Из этого равенства выходит 2-ая основная черта трансформатора, а конкретно, отношение: I1/I2 = w2/w1 = 1/kт, где kт — коэффициент трансформации.

Таким макаром, отношение токов первичной и вторичной обмоток трансформатора равно единице, деленной на его коэффициент трансформации.

Итак, главные свойства трансформатора заключаются в отношениях Е1/Е2 = w1/w2 = kт и  I1/I2 = w2/w1 = 1/kт

Если перемножить левые части отношений меж собой и правые части меж собой, то получим I1E1/I2E2 = 1 и I1E1 = I2E2

Последнее равенство дает третью характеристику трансформатора, которую можно выразить словами так: отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора мощность в вольт-амперах, практически равна мощности, подводимой к первичной обмотке также в вольт-амперах.

Если пренебречь энергопотерями в меди обмоток и в железе сердечника трансформатора, то можно сказать, что вся мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора от источника энергии, передается вторичной обмотке его, при этом передатчиком служит магнитный поток.

elektrica.info

Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

Работа однофазного трансформатора вхолостую

Трансформаторами в электротехнике называют такие электротехнические устройства, в которых электрическая энергия переменного тока от одной неподвижной катушки из проводника передается другой неподвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически.

Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению.

Рис. 1. 

На рис. 1а изображен простейший трансформатор, состоящий из двух катушек / и //, расположенных коаксиально одна над другой. К катушке / подводится переменный ток от генератора переменного тока Г. Эта катушка называется первичной катушкой или первичной обмоткой. С катушкою //, называемой вторичной катушкой или вторичной обмоткой, соединяется цепь приемниками электрической энергии.

Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора заключается в следующем. При прохождении тока в первичной катушке / ею создается магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создавшую их катушку, но частично и вторичную катушку //. Примерная картина распределения силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображена на рис. 1б.

Как видно из рисунка, все силовые линии замыкаются вокруг проводников катушки /, но часть их на рис. 1б силовые линии 1, 2, 3, 4 замыкаются также вокруг проводников катушки //. Таким образом катушка // является магнитно связанной с катушкою / при посредстве магнитных силовых линий.

Степень магнитной связи катушек / и //, при коаксиальном расположении их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовых линий катушки / сцепляется с катушкою //.

Так как через катушку / проходит, как мы предполагаем, переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться во времени по тому же закону.

Например, когда ток в катушке / проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке / проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя свое направление.

В результате изменения тока в катушке / обе катушки / и // пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и свое направление. Согласно основному закону электромагнитной индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в катушке / индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а в катушке // индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы катушки // соединить с цепью приемников электрической энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; следовательно приемники получат электрическую энергию. В то же время к катушке / от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой //. Таким образом электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток.

Изображенный на рис. 1а трансформатор весьма несовершенен, ибо между первичной катушкой / и вторичной катушкой // магнитная связь невелика.

Магнитная связь двух обмоток, вообще говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой.

Из рис. 1б видно, что только часть силовых линий катушки / замыкается вокруг катушки //. Другая часть силовых линий (на рис. 1б — линии 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки /. Эти силовые линии в передаче электрической энергии от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.

Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 2 однофазный трансформатор так называемого стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки c1 и с2 расположены на железных стержнях а — а, соединенных с торцов железными же накладками b — b, называемыми ярмами. Таким образом два стержня а, а и два ярма b, b образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это железное кольцо называется сердечником трансформатора.

Рис. 2.

Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 3 однофазный трансформатор так называемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике образуемом двумя стержнями двух железных колец а и б. Кольца а и б, окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронею, поэтому описываемый трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в своем железном кольце.

Рис. 3

Применением железных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, почти равны друг другу. Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, мы можем на основании общего закола индукции для мгновенных значений электродвижущих сил обмоток написать выражения:

В этих .выражениях w1 и w2 — числа витков первичной и вторичной обмоток, a dФt — величина изменения пронизывающего катушки магнитного потока за элемент времени dt, следовательно есть скорость изменения магнитного потока. Из последних выражений можно получить следующее отношение:

e1 / e2 = w1 / w2

т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках / и // мгновенные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только по отношению к мгновенным значениям электродвижущих сил, но и к их наибольшим и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, почти целиком уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение. Если через E1 и U1 обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать:

Е1 = U1

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки.

Если, аналогично предыдущему, через E2 и U2 обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать:

Е2 = U2

Следовательно, приложив к одной катушке трансформатора некоторое напряжение, можно на концах другой катушки получить любое напряжение, стоит только взять подходящее отношение между числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витковпервичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации мы будем обозначать kт.

Следовательно можно написать:

Е1/Е2 = U1/U2 = w1/w2 = kт

Трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше единицы, называется повышающим трансформатором, ибо у него напряжение вторичной обмотки, или так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, или так называемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэффициент трансформации больше единицы, называется понижающим трансформатором, ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.

Работа однофазного трансформатора под нагрузкою

При холостой работе трансформатора магнитный поток создается током первичной обмотки или, вернее, магнитодвижущей силой первичной обмотки. Так как магнитная цепь трансформатора выполняется из железа и потому имеет небольшое магнитное сопротивление, а число витков первичной обмотки берется обычно большим, то ток холостой работы трансформатора невелик, он составляет 5—10% нормального.

Если замкнуть вторичную обмотку на какое-либо сопротивление, то с появлением тока во вторичной обмотке появится и магнитодвижущая сила этой обмотки.

Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила вторичной обмотки действует против магнитодвижущей силы первичной обмотки

Казалось бы, что магнитный поток в этом случае должен уменьшаться, но если к первичной обмотке подведено постоянное по величине напряжение, то уменьшения магнитного потока почти не произойдет.

В самом деле, электродвижущая сила, индуктируемая в первичной обмотке, при нагрузке трансформатора почти равна приложенному напряжению. Эта электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку. Следовательно, если первичное напряжение постоянно по величине, то и электродвижущая сила при нагрузке должна остаться почти той же, какой она была при холостой работе трансформатора. Это обстоятельство имеет следствием почти полное постоянство магнитного потока при любой нагрузке.

Итак, при постоянном по величине первичном напряжении магнитный поток трансформатора почти не меняется с изменением нагрузки и может быть принят равным магнитному потоку при холостой работе.

Магнитный поток трансформатора может сохранить свою величину при нагрузке лишь потому, что с появлением тока во вторичной обмотке увеличивается и ток в первичной обмотке и при том настолько, что разность магнитодвижущих сил или ампервитков первичной и вторичной обмоток остается почти равной магнитодвижущей силе или ампервиткам при холостой работе. Таким образом появление во вторичной обмотке размагничивающей магнитодвижущей силы или ампервитков сопровождается автоматическим увеличением магнитодвижущей силы первичной обмотки.

Так как для создания магнитного потока трансформатора требуется, как было указано выше, небольшая магнитодвижущая сила, то можно сказать, что увеличение вторичной магнитодвижущей силы сопровождается почти таким же по величине увеличением первичной магнитодвижущей силы.

Следовательно, можно написать: I2w2 = I1w1

Из этого равенства получается вторая основная характеристика трансформатора, а именно, отношение: I1/I2 = w2/w1 = 1/kт, где kт — коэффициент трансформации.

Таким образом, отношение токов первичной и вторичной обмоток трансформатора равно единице, деленной на его коэффициент трансформации.

Итак, основные характеристики трансформатора заключаются в отношениях Е1/Е2 = w1/w2 = kт и  I1/I2 = w2/w1 = 1/kт

Если перемножить левые части отношений между собой и правые части между собой, то получим I1E1/I2E2 = 1 и I1E1 = I2E2

Последнее равенство дает третью характеристику трансформатора, которую можно выразить словами так: отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора мощность в вольт-амперах, почти равна мощности, подводимой к первичной обмотке также в вольт-амперах.

Если пренебречь потерями энергии в меди обмоток и в железе сердечника трансформатора, то можно сказать, что вся мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора от источника энергии, передается вторичной обмотке его, причем передатчиком служит магнитный поток. 

источник   http://electricalschool.info

kaknazlo.blogspot.com

1. Устройство однофазных и трехфазных трансформаторов. Принцип действия однофазного трансформатора

1. Устройство однофазных и трехфазных трансформаторов. Принцип действия однофазного трансформатора. Однофазный трансформатор применяется в однофазной цепи переменного тока. Трансформатор состоит: из замкнутого сердечника, собранного из листовой трансформаторной стали, на котором располагаются две или несколько обмоток - изолированного провода. Обмотки, подключаемые к источнику тока, называется первичной, а обмотка, с которой снимается напряжение - вторичной. У трехобмоточного трансформатора имеются две вторичные обмотки, что дает возможность получить два различных напряжения. В зависимости от формы сердечника однофазные трансформаторы бывают стержневые и броневые. В стержневом трансформаторе магнитопровод имеет форму замкнутого прямоугольника (рис.3.1), а первичная и вторичная обмотка надеты на оба стержня; причем одна половина обмотки - на одном стержне, а другая половина - на другом. Обмотка с меньшим числом витков толстого провода размещается ближе к сердечнику и обозначается на схемах НН (низшее напряжение), поверх нее наматывается обмотка с большим числом витков толстого провода и обозначается на схемах ВН (высшее напряжение). Намотка обмоток на обоих стержнях проводиться так, чтобы их магнитные потоки складывались, т. е. если в обмотке на первом стержне намотка идет по часовой стрелке, то на второй против. Трехфазные трансформаторы могут иметь различные схемы соединения первичных и вторичных обмоток. Все начала первичных обмоток трансформатора обозначают большими буквами: А, В, С; начала вторичных обмоток – малыми буквами: а, Ь, с. Концы обмоток обозначаются соответственно: X, У, Z и х, у, z. Зажим выведенной нулевой точки при соединении звездой обозначают буквой О. При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений U1ф/U2фвсегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток w1/w2; что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа соединения обмоток трансформатора. 2. Приведенный трансформатор и его Т-образная схема замещения. Для облегчения анализа процессов, происходящих в трансформаторе, упрощения векторной диаграммы и возможности построения схемы замещения условно принимают, что приведенный ток вторичной обмотки i'2 является ее действительным током. С этой целью действительную вторичную обмотку с числом витков ω2 условно заменяют фиктивной обмоткой, с числом витков ω1. Такую условную обмотку называют приведенной вторичной обмоткой, а операцию замены — приведением вторичной обмотки к первичной. Так как число витков приведенной вторичной обмотки равно числу витков первичной, то индуктируемые потоком взаимоиндукции электродвижущие силы обеих обмоток равны, т. е. На этом рисунке представлена эквивалентная схема приведенного трансформатора, на которой сопротивления r и x условно вынесены из соответствующих обмоток и включены с ними последовательно. Так как k = 1, то E1 = E2. Поэтому точки А и а, а также Х и х на приведенном трансформаторе имеют одинаковые потенциалы. Произведя математическое описание этой схемы методами Кирхгофа, можно сделать вывод о том, что она полностью соответствует уравнениям ЭДС и токов реального трансформатора (см. Приведенный трансформатор). Отсюда появляется возможность электрического моделирования трансформатора на ЭВМ. Проводя исследования относительно нагрузки z2‘ (единственного переменного параметра схемы), можно прогнозировать реальные характеристики трансформатора, начиная от холостого хода и кончая коротким замыканием (z2‘ = 0). 3. Упрощенная схема замещения трансформатора, ее уравнение электрического состояния. В электрических цепях обмотки трансформаторов связаны между собой магнитным полем. Это усложняет расчет цепи и анализ ее работы. Поэтому целесообразно заменить трансформатор его моделью, которая называется схемой замещения. Построение схемы замещения должно удовлетворять требованиям, предъявляемым к моделям, т. е. математическое описание режима схемы замещения должно совпадать с математическим описанием электрического состояния трансформатора. Схема замещения для приведенного трансформатора. В соответствии с этими уравнениями построена схема замещения трансформатора. На схеме R1и X1dсоответственно — активное сопротивление и сопротивление рассеяния первичной обмотки; R`1иX`1— приведенные активное сопротивление и сопротивление рассеяния вторичной обмотки; R0и X0 — активное и реактивное сопротивление ветви холостого хода. Мощность потерь в сопротивлении R0при токе I1xэквивалентна потерям в магнитопроводе, т.е. – эквивалентное реактивное сопротивление. Падение напряжения на ветви холостого хода с комплексным сопротивлением при токе равно ЭДС и трансформатора. Упрощенная схема замещения. Параметры схемы замещения трансформатора экспериментально найти трудно. Если пренебречь током холостого хода из-за его малости, то получим так называемую упрощенную схему замещения (рис. 2.10), где и называются сопротивлениями короткого замыканияи 4. Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов в звезду и треугольник. Связи между линейными и фазными напряжениями и токами в них. Выводы обмоток высшего напряжения обозначены большими буквами: А, В, С, - начало обмоток, X, У, Z - концы. Выводы обмоток низшего напряжения обозначены малыми буквами: а, в, с - начало обмоток, х, у, z - концы. Вывод нулевой точки обозначен знаком 0. Коэффициент трансформации трехфазного трансформатора при одинаковых соединениях обмоток, т.е. Y/Y или D/D, определяется как отношение линейных напряжений, а при разных, т.е. D/Y или Y/D - как отношение фазных напряжений. Связь линейных и фазных напряжений между собой устанавливается уравнениямина основе второго закона Кирхгoфа: Векторы линейных напряжений так же представлены на рис 3.2.1б. Все три линейные напряжения равны и имеют взаимный фазовый угол 120. Такая система линейных и фазных напряжений называется симметричной. Как видно из векторной диаграммы рис 3.2.1б линейное напряжение равно удвоенной проекции вектора фазного напряжения под углом 30º. Значит: Таким образом, трёхфазная система напряжений обеспечивает потребителю в четырёх проводах три линейных и три фазных напряжения. Они отличаются враз. Наиболее часто встречается система напряжений сети, указываемая как 380/220 В. Это UЛ=380 В, UФ=220 В. Расчеты токов в трёхфазных цепях при переменном синусоидальном напряжении в общем случае определены символическим методом. Выражения линейных и фазных напряжений как комплексных чисел приведены в примере 3.2.1. Применяются расчеты и в действительных числах с построением соответствующих векторных диаграмм напряжений и токов. 5. Условия включения трансформаторов на параллельную работу и распределение нагрузки между трансформаторами Для нормальной работы трансформаторов при их параллельном включении должны быть выполнены условия: 1.равенство номинальных первичных и вторичных напряжений трансформаторов; 2.принадлежность трансформаторов к одинаковым группам; 3.равенство напряжений коротких замыканий, их активных и реактивных составляющих. Условия равенства первичных и вторичных напряжений – это условие сводится к условию равенства коэффициентов трансформации параллельно работающих трансформаторов. При включении на параллельную работу обмотки трансформаторов должны быть соединены одноименными зажимами: чтобы индуктируемые во вторичных обмотках э. д. с. находились в противофазе и их геометрическая сумма была равна нулю, тогда при включении тpaнcфoрмaтopoв не возникает никaкиx уравнительных токов. Если коэффициенты трансформации не равны, то не равны н э д. с. вторичных обмоток, значит и их геометрическая сумма не равна нулю: E2i+E2ii=E Где E2i и E2ii — э. д. с. вторичных обмоток соответственно первого и ; второго трансформаторов. Если трансформаторы, включаемые на параллельную работу, принадлежат к одинаковым группам, то векторы линейных э. д. с. вторичных обмоток совпадают по фазе  при включении трансформаторов нет уравнительных токов. Если же трансформаторы принадлежат к различным группам, то при совпадении векторов линейных э. д. с. первичных обмоток вторичные, линейные э. д. с. не совпадают по фазе и геометрическая сумма э. д. с. вторичных обмоток не равна нулю. В этом случае при включении трансформаторов на параллельную работу появляются уравнительные токи, значительно большие номинальных, и трансформаторы могут выйти из строя Если трансформаторы • имели бы одинаковую номинальную мощность, уравнительный ток при их включении на параллельную работу оказался бы равным 0,26 установившегося значения тока короткого замыкания, т. е. примерно в 5 раз больше номинального. При неравенстве напряжений короткого замыкания нагрузка между параллельно работающими трансформаторами распределяется неравномерно и трансформатор с меньшим напряжением короткого замыкания нагружается в большей мере, чем трансформатор с большим напряжением короткого замыкания. 6. Устройство и принцип действия однофазного автотрансформатора. Его достоинства и недостатки Автотрансформаторы относят к трансформаторам специального назначения. Автотрансформаторы отличаются от трансформаторов тем, что у них обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, т. е. цепи этих обмоток имеют не только магнитную, но и гальваническую связь. В зависимости от включения обмоток автотрансформатора можно получить повышение или понижение напряжения. Если присоединить источник переменного напряжения к точкам А и Х, то в сердечнике возникнет переменный магнитный поток. В каждом из витков обмотки будет индуктироваться ЭДС одной и той же величины. Очевидно, между точками а и Х возникнет ЭДС, равная ЭДС одного витка, умноженной на число витков, заключенных между точками а и Х. Если присоединить к обмотке в точках a и Х какую-нибудь нагрузку, то вторичный ток I2 будет проходить по части обмотки и именно между точками a и Х. Но так как по этим же виткам проходит и первичный ток I1, то оба тока геометрически сложатся, и по участку aХ будет протекать очень небольшой по величине ток, определяемый разностью этих токов. Это позволяет часть обмотки сделать из провода малого сечения, чтобы сэкономить медь. Если принять во внимание, что этот участок составляет большую часть всех витков, то и экономия меди получается весьма ощутимой. Таким образом, автотрансформаторы целесообразно использовать для незначительного понижения или повышения напряжения, когда в части обмотки, являющейся общей для обеих цепей автотрансформатора, устанавливается уменьшенный ток что позволяет выполнить ее более тонким проводом и сэкономить цветной металл. Одновременно с этим уменьшается расход стали на изготовление магнитопровода, сечение которого получается меньше, чем у трансформатора. Автотрансформаторы успешно конкурируют с двухобмоточными трансформаторами, когда их коэффициент трансформации - мало отличается от единицы и но более 1,5 - 2. При коэффициенте трансформации свыше 3 автотрансформаторы себя не оправдывают. 7. Испытательное и эксплуатационное короткое замыкания трансформатора Испытательное короткое замыкание трансформатора, в отличие от аварийного, проводят преднамеренно, причем первичное напряжение снижают до величины U\ = С/к, при котором в обеих обмотках устанавливаются токи, равные номинальным токам данного трансформатора. Короткое замыкание трансформатора в эксплуатационных условиях является аварийным режимам, сопровождающимся очень большими бросками тока, что ведет к чрезмерному нагреву обмоток трансформатора и созданию больших механических усилий, действующих на проводники обмоток. Но если зажимы вторичной обмотки трансформатора замкнуть накоротко, а к первичной обмотке подвести такое пониженное напряжение, при котором в обмотках трансформатора будут протекать нормальные токи, то при этом с трансформатором ничего опасного не произойдет. Это напряжение называется напряжением короткого замыкания UK, оно характеризует индуктивное сопротивление обмотки и измеряется в процентах от номинального напряжения. 8.Устройство трехфазных асинхронных двигателей. Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. По конструкции асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (последние называют также двигателями с контактными кольцами). Двигатели с фазным ротором. Обмотку ротора обычно соединяют по схеме Y, три конца которой выводят к трем контактным кольцам (рис., вращающимся вместе с валом машины. С помощью металлографитных щеток, скользящих по кон­тактным кольцам, в ротор включают пусковой или пускорегулирующий реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводят добавочное активное сопротивление. Двигатели с короткозамкнутым ротором. На статоре расположена трехфазная обмотка, которая при подключении к сети трехфазного тока создает вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки, является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет. «Беличья клетка» состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцовые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности пазы короткозамкнутого ротора выполняют полузакрытыми, в машинах малой мощности—закрытыми. Обе формы паза позволяют хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивают потоки рассеяния и индуктивное сопротивление роторной обмотки. В электрическом отношении «беличья клетка» представ­ляет собой многофазную обмотку, соединенную по схеме Υ и замкнутую накоротко. Часто асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором имеют скошенные пазы на статоре или роторе. Скос пазов делают для того, чтобы уменьшить высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнит­ного потока из-за наличия зубцов, снизить шум, вызываемый магнитными причинами, устранить явление прилипания ротора к статору, которое иногда наблюдается в микро­двигателях. 9. Т- и Г-образные схемы замещения асинхронного двигателя и их отличия. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя. Полная схема замещения асинхронного двигателя при вращающемся роторе отличается от схемы замещения асинхронного двигателя с заторможенным ротором только наличием в цепи ротора активного сопро­тивления, зависящего от нагрузки. Сопротивления намагничивающего контура значительно меньше соответствующих значений для схемы замещения трансформатора, так как ток холостого хода асинхронного двигателя гораздо больше, чем у трансформа­тора. Если при рассмотрении работы трансформатора часто можно пренебречь намагничивающим контуром, то при рассмотрении работы асинхронного двигателя этого сделать нельзя,  так как  ошибка может  получиться значительной. Г-образная схема замещения асинхронного двигателя. Можно упростить вычисле­ния, преобразовав Т-образную схему замещения в Г-образную, как это показано на рисунке , позиции а. Для Г-образной схемы замещения имеем: При анализе электромагнитных процессов в машинах общего применения часто полагают С1≈1, что существенно облегчает расчеты и мало влияет на точность полученных результатов. Г-образную схему замещения при С1 = 1 называют упрощенной схемой замещения с вынесенным намагничивающим контуром 10. Электромагнитный момент асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в зависимости от скольжения. Анализ механической характеристики В результате взаимодействия магнитного поля с токами в роторе асинхронного двигателя создается вращающий электромагнитный момент, стремящийся уравнять скорость вращения магнитного поля статора и ротора. Разность скоростей вращения магнитного поля статора и ротора асинхронного двигателя характеризуется величиной скольжения s = (n1 - n2) / n2, где n1- синхронная скорость вращения поля, об/мин, n2 - скорость вращения ротора асинхронного двигателя, об/мин. При работе с номинальной нагрузкой скольжение обычно мало, так для электродвигателя, например, с n1 = 1500 об/мин, n2 = 1 460 об/мин, скольжение равно:s = ((1500 - 1460) / 1500 ) х 100 = 2,7%. По мере ускорения ротора частота тока в нем будет определяться скольжением асинхронного двигателя: f2 = s х f1, где f1 - частота тока, подводимого к статору. Сопротивление ротора зависит от частоты тока в нем, причем чем больше частота, тем больше его индуктивное сопротивление. С увеличением индуктивного сопротивления ротора увеличивается сдвиг фаз между напряжением и током в обмотках статора. Механическая характеристика асинхронного двигателя показывает взаимосвязь между частотой вращения п и вращающим моментом М двигателя при изменении режима от холостого хода до состояния покоя (пуск). Частота вращения лишь очень медленно падает с возрастанием нагрузки [примерно 5—10% от холостого хода до номинальной нагрузки (Мном)]. Трехфазный асинхронный двигатель имеет «жесткую» механическую характеристику, подобную характеристике машин постоянного тока с параллельным возбуждением. На рис. 1(2) показана обратная взаимосвязь между частотой вращения и вращающим моментом. Такой способ представления обычен для асинхронных трехфазных двигателей. Кривая показывает, что при скольжении около 25% имеет место максимальное значение вращающего момента Мmax. Если нагрузочным момент на валу достигает критического значения, то асинхронный электродвигатель останавливается. Максимальный момент превышает номинальный момент примерно в 2—2,5 раза; это необходимо учитывать при кратковременных перегрузках. Момент покоя или момент пуска Мпуск должен быть больше номинального момента Мном, если двигатель пускается под нагрузкой. При включении асинхронного двигателя рабочая точка будет перемещаться от точки Мпуск с n = 0 через точку опрокидывания до точки номинальной нагрузки Мном с номинальной частотой вращения nном. Ток I, поступающий в двигатель 11. Влияние активного сопротивления в цепи фазного ротора на механическую характеристику асинхронного двигателя. При увеличении активного сопротивления цепи ротора значение критического скольжения ротора двигателя увеличивается. При постоянном моменте нагрузки на валу электродвигателя с увеличением активного сопротивления в цепи ротора рабочая точка смещается с одной механической характеристики на другую, соответствующую новому, возросшему сопротивлению цепи ротора. При изменении активного сопротивления цепи ротора двигателя получается семейство механических характеристик с общим для всех значением критического момента. Величины скольжений для любого Q из моментов на реостатных характеристиках во столько раз превышают п - - величины скольжений для тех же моментов на естественной характеристике, во сколько полное сопротивление цепи ротора при введении внешнего сопротивления больше внутреннего сопротивления обмотки ротора. Следовательно, увеличивая активное сопротивление цепи ротора, можно увеличивать критическое скольжение, не изменяя максимальный момент. Эта возможность используется для улучив ния пусковых условий в двигателях с фазным ротором. Следовательно, увеличивая активное сопротивление цепи ротора, можно увеличивать критическое скольжение, не изменяя максимальный момент. Эта возможность используется для улучшения пусковых условий в двигателях с фазным ротором. Практически изменение величины активного сопротивления цепи ротора достигается введением регулировочного реостата, подобного пусковому реостату, но рассчитанного на длительный режим работы. Пусковой момент повышается при увеличении активного сопротивления цепи ротора, максимальный момент не изменяется.Кроме того, изменяя с помощью реостата активное сопротивление цепей ротора, можно регулировать частоту вращения двигателя. Пусковой момент достигает максимума тогда, когда активное сопротивление цепи ротора равно индуктивному сопротивлению рассеяния двигателя. Это сопротивление, с одной стороны, уменьшает пусковой ток, с другой - увеличивает пусковой момент. Наличие контактных колец и фазной обмотки позволяет изменять активное сопротивление цепи ротора двигателя в процессе его вращения, что необходимо для уменьшения значительного пускового тока, возникаемого при пуске, а также для регулирования частоты вращения ротора и изменения величины его пускового момента. Кроме того, изменяя с помощью реостата активное сопротивление цепей ротора, можно регулировать частоту вращения двигателя. 12. Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором. Пусковые свойства асинхронного двигателя зависят от особенностей его конструкции, в частности от устройства ротора. Пуск асинхронного двигателя сопровождается переходным процессом машины, связанным с переходом ротора из состояния покоя в состояние равномерного вращения, при котором момент двигателя уравновешивает момент сил сопротивления на валу машины. Для асинхронного двигателя с фазным ротором начальный пусковой момент, соответствующий скольжению sп= 1, зависит от активных сопротивлений регулируемых резисторов, введенных в цепь ротора. Рис. Пуск трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором: а — графики зависимости вращающего момента двигателя с фазным ротором от скольжения при различных активных сопротивлениях резисторов в цепи ротора, б — схема включения резисторов и замыкающих контактов ускорения в цепь ротора. Введение в цепь ротора двигателя регулируемых резисторов, называемых пусковыми, не только снижает начальный пусковой ток, но одновременно увеличивает начальный пусковой момент, который может достигнуть максимального момента Mmax (рис. 1, а, кривая 3), если критическое скольжение двигателя с фазным ротором sкр = (R2' + Rд') / (Х1 + Х2') = 1, где Rд' — активное сопротивление резистора, находящегося в фазе обмотки ротора двигателя, приведенное к фазе обмотки статора. Дальнейшее увеличение активного сопротивления пускового резистора нецелесообразно, так как оно приводит к ослаблению начального пускового момента и выходу точки максимального момента в область скольжения s > 1, что исключает возможность разгона ротора. Поскольку вращающий момент и ток асинхронного двигателя с фазным ротором взаимно связаны, то можно при разгоне ротора установить пиковый предел тока I1 = (1,5 - 2,5) Iном и ток переключения I2, который должен обеспечить момент переключения М2 > Мc. 13. Способы пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором При пуске двигателя в ход должны по возможности удовлетворяться следующие основные требования: процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств, пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи — по возможности малыми. Прямой пуск применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины. Однако при прямом пуске двигателей большой мощности, особенно при подключении их к недостаточно мощным электрическим сетям, могут возникать чрезмерно большие падения напряжения (свыше 10—15%). В этом случае прямой пуск для двигателей с короткозамкнутым ротором не применяют и пускают их при пониженном напряжении. Прямой пуск асинхронного двигателя широко применяют в технике. Недостатками его являются большой пусковой ток и сравнительно небольшой пусковой момент. Пуск при пониженном напряжении применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения осуществляется следующими способами: 1) переключением обмотки статора при пуске с рабочей схемы «треугольник» на пусковую схему «звезда». 2) включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных резисторов или реакторов. 3) подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор. Последний может иметь несколько ступеней, которые в процессе пуска двигателя переключаются соответствующей аппаратурой. Недостатком всех указанных способов является значительное уменьшение пускового и наибольшего моментов двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Поэтому они могут применяться только при пуске двигателя без нагрузки. 14. Основные способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором При работе многих механизмов, приводящихся во вращение асинхронными двигателями, в соответствии с технологическими требованиями возникает необходимость регулировать скорость вращения этих механизмов. Способы регулирования частоты (скорости) вращения асинхронных двигателей раскрывает соотношение: n=(1−S)n0=(1−S)60f/p. Отсюда следует, что при заданной нагрузке на валу частоту вращения ротора можно регулировать: 1) Изменение скольжения. Этот способ используют в приводе тех механизмов, где установлены асинхронные двигатели с фазным ротором. Например, в приводе подъемно-транспортных машин. В цепь фазного ротора вводится регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления ротора не влияет на величину критического момента, но увеличивает критическое скольжение. 2) Изменение числа пар полюсов. Эти двигатели (многоскоростные) имеют более сложную обмотку статора, позволяющую изменять ее число пар полюсов, и короткозамкнутый ротор. При работе асинхронного двигателя необходимо, чтобы обмотки ротора и статора имели одинаковое число пар полюсов. Только короткозамкнутый ротор способен автоматически приобретать то же число пар полюсов, что и поле статора. Многоскоростные двигатели нашли широкое применение в приводе металлорежущих станков. Нашли применение двух, трех и четырех скоростные двигатели. При переключении числа пар полюсов изменяется и магнитный поток в зазоре, что приводит к изменению критического момента Mкр. 3) Изменение частоты источника питания. В качестве таких источников питания в настоящее время начали находить применение преобразователи частоты (ПЧ), выполняемые на мощных полупроводниковых приборах – тиристорах. Из уравнения трансформаторной ЭДС U1=4,44w1k1fΦ следует, что для сохранения неизменным магнитного потока, т.е. для сохранения перегрузочной способности двигателя, необходимо вместе с частотой изменять и действующее значение подведенного напряжения. 4) Торможение противовключением. Этот тормозной режим возникает при реверсе двигателя, а также широко используется для быстрой остановки двигателя. 15. Устройство синхронных двигателей и их принцип действия. Асинхронный пуск синхронного двигателя. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является такое исполнение, при котором якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор. Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора. Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока. Двигательный принцип. Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.) Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это называется «вошёл в синхронизм». Асинхронный пуск синхронного двигателя. При этом методе синхрон­ный двигатель пускают как асин­хронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполнен­ной по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. При включении трехфаз­ной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнит­ное поле, которое, взаимодейст­вуя с током Iп в пусковой об­мотке, создает эле­ктромагнитные силы F и увлека­ет за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоян­ный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхрони­зирующий момент, который втя­гивает  ротор  в  синхронизм. сопротивление которо­го Rдоб превышает в 8... 12 раз активное сопротивление Rв об­мотки возбуждения.   После  разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхрон­ной (при s0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкну­той обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s>0 в ней вращающимся магнитным полем индуцируется электродвижущая сила Eв = 4,44f2wвФm = 4,4f1swвФm; где f2=f\s — частота изменения тока в обмотке возбуждения; wB — число вит­ков обмотки возбуждения; Фm — амплитуда магнитного вращающегося  поля. 16. Синхронный компенсатор, его устройство и назначение. Синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронный двигатель облегчённой конструкции, предназначенный для работы на холостом ходу. При работе в режиме перевозбуждения СК является генератором реактивной мощности. Наибольшая мощность СК в режиме перевозбуждения называется его номинальной мощностью. При работе в режиме недовозбуждения СК является потребителем реактивной мощности. По конструктивным условиям СК обычно не может потреблять из сети такую же реактивную мощность, которую он может генерировать. Изменение тока возбуждения СК обычно автоматизируется. При работе СК из сети потребляется активная мощность порядка 2-4%. В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения. Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным. Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и с точки зрения режима своей работы в сущности являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу. Для осуществления асинхронного пуска все синхронные компенсаторы снабжаются пусковыми обмотками в полюсных наконечниках или их полюсы делаются массивными. При этом используется способ прямого, а в необходимых случаях — способ реакторного пуска.

ignorik.ru

Назначение, устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Подробности Категория: Электротехника и электроника

 Основные части трансформаторов - обмотки, осуществляющие электромагнитное преобразование энергии, и магнитопровод (магнитная система), выполненный из ферромагнитного материала и предназначенный для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток.

Магнитопровод трансформаторов малой мощности изготавливают из листовой или ленточной электротехнической стали толщиной 0,1 - 0,35 мм.В зависимости от конфигурации магнитопровода различают трансформаторы стержневого, броневого и кольцевого типов. Рис.6.1.  Типы магнитопроводов трансформаторов(1, 4 - броневые; 2, 5 - стержневые; 3, 6 - кольцевые)Обмотка трансформатора - это совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС витков.Обмотки трансформаторов стержневого и броневого типов представляют собой катушки, намотанные из изолированного провода, в большинстве случаев медного, на изолирующий каркас или гильзу. Отдельные слои проводов изолируют друг от друга тонкой межслойной изоляцией из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаками; между обмотками прокладывают более толстую межобмоточную изоляцию. Обмотки трансформатора, к которым электрическая энергия подводится, называют первичными, обмотки, от которых электрическая энергия отводится, - вторичными.Повышение электрической прочности трансформаторов и их устойчивости к механическим и атмосферным воздействиям достигается путем пропитки обмоток изоляционными лаками или компаундами или заливкой трансформаторов в эпоксидную смолу. Стержневые трансформаторы имеют наилучшие условия охлаждения ввиду большой поверхности охлаждения обмоток. Броневые трансформаторы благодаря меньшему числу катушек имеют меньшие размеры и более просты в изготовлении. Кольцевые трансформаторы отличаются малыми потоками рассеяния и низким сопротивлением сердечника благодаря отсутствию воздушных зазоров на пути потока, но более сложны в изготовлении ввиду невозможности предварительной намотки обмоток вне магнитопровода. Рис.6.4. Принцип действия трансформатораПринцип действия рассмотрим на примере идеального трансформатора - трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу её витков. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия равна преобразованной энергии:P1 = I1•U1= P2 = I2•U2,гдеP1 - мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,P2 - мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.Соединив это уравнение с отношением напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:

U2/U1 = N2/N1 = I1/I2Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2.Соотношение напряжений на входе и выходе трансформатора определяется в основном соотношением ЭДС взаимоиндукции в первичной и вторичной обмотках, которое называется теоретическим коэффициентом трансформации:Kт = U1/U2 = N1/N2Как видно, соотношение напряжений на обмотках трансформатора определяется соотношением чисел витков.Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет:Z´1 = Z2•(N1/N2)2 .Данное правило справедливо также и для вторичной цепи:Z´2 = Z1•(N2/N1)2 .На схемах трансформатор обозначается следующим образом: Рис.6.5. Обозначение трансформатора на схемеЦентральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 - первичная обмотка (обычно слева), 2,3 - вторичные обмотки. Число полуокружностей в каком-то грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков - больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).При обозначении трансформатора с несколькими первичными и/или вторичными обмотками точками указывают начало катушки.Процесс передачи мощности с первичной на вторичную обмотку трансформатора сопровождается потерями части активной мощности. Мощность, называемая электрическими потерями, выделяется на активном сопротивлении обмоток при протекании по ним тока:ΔPэ=I12•R1+I22•R2где R1 и R2 - активные сопротивления обмоток.Значение электрических потерь зависит от токов в обмотках, т.е. от режима нагрузки, поэтому электрические потери называют переменными потерями трансформатора.Мощность ΔPм, называемая магнитными потерями, выделяется в магнитопроводе при прохождении по ней переменного магнитного потока. Она обусловлена наличием вихревых токов, наводимых переменным потоком, и явлением гистерезиса.Значение ΔPм зависит от свойств материала магнитопровода, индукции в магнитопроводе и частоты его перемагничивания. Поток, а следовательно, и индукция не зависят от нагрузки, поэтому потери ΔPм называют постоянными потерями трансформатора. Так как потери на вихревые токи и гистерезис пропорциональны примерно квадрату индукции, тоΔPм ~ U12.Выделение части потребляемой трансформатором мощности в виде электрических и магнитных потерь приводит к нагреву трансформатора.

 

 

Смотрите также:

 

 

eksdan.ru

---

• 
  Что нужно чтобы провести свет в гараж
• 
  Индукции магнитного поля формулы
• 
  Люстра с пультом управления светодиодная инструкция
• 
  2 группа по электробезопасности кому присваивается
• 
  Пао пермэнергосбыт передать показания счетчика
• 
  Что такое магнитная проницаемость вещества
• 
  Перевести ток в мощность в трехфазной сети
• 
  Вэу 40
• 
  Двухполупериодная схема выпрямления
• 
  Удельное сопротивление проводников
• 
  Какой ставить вводной автомат в квартиру