Объясните устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Устройство и принцип действия однофазного двухобмоточного трансформатора.

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.

Трансформаторы напряжения двух- или трехобмоточные предназначены как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализации и релейной защиты линий электропередач от замыкания на землю. Трансформаторы напряжения имеют два назначения: изолировать вторичную обмотку НН и, тем самым, обезопасить обслуживающий персонал; понизить измеряемое напряжение до стандартного значения 100; 100ν3; 100/3 В.

Рис. Однофазный двухобмоточный трансформатор напряжения: а — присоединение трансформатора напряжения к трехфазной сети без нулевого провода; б — расположение выводов (Л-X — выводы ВН; а-х — выводы НН)

Работа трансформатора в режиме холостого хода и под нагрузкой.

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.

На рис. изображен трансформатор, работающий в режиме холостого хода.

W1 — число витков первичной обмотки;

W2- число витков вторичной обмотки;

R1 — активное сопротивление первичной обмотки.

Если к первичной обмотке трансформатора подключить напряжение U1, а вторичную обмотку соединить с нагрузкой, в обмотках появятся токи I1 и I2. Эти токи создадут магнитные потоки Ф1 и Ф2, направленные навстречу друг другу. Суммарный магнитный поток в магнитопроводе уменьшается. Вследствие этого индуктированные суммарным потоком ЭДС E1 и E2 уменьшаются. Действующее значение напряжения U1 остается неизменным. Уменьшение E1, согласно (2), вызывает увеличение тока токи I1. При увеличении тока I1 поток Ф1 увеличивается ровно настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие потока Ф2. Вновь восстанавливается равновесие при практически прежнем значении суммарного потока.

В нагруженном трансформаторе, кроме основного магнитного потока, имеются потоки рассеяния Ф1S и Ф2S, замыкающиеся частично по воздуху. Эти потоки индуктируют в первичной и вторичной обмотках ЭДС рассеяния.

где X2S — индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки.

Для первичной обмотки можно записать уравнение

Для вторичной обмотки

где R2 — активное сопротивление вторичной обмотки; ZН — сопротивление нагрузки.

Назначение и принцип действия однофазного трансформатора

В энергетической сфере деятельности используются первичные источники высокого переменного напряжения, однако в быту или на предприятиях необходимо значительно его снизить. Для этой цели применяются трансформаторы. Для полного понимания и грамотного применения напряжения в быту необходимо знать принцип действия однофазного трансформатора.

Общие сведения о трансформаторах

Значительно легче передавать переменный ток на большие расстояния, так как достигаются минимальные потери, связанные с величинами напряжения (U) и тока (I). Кроме того, для передачи не переменного, а постоянного I необходимо применять сложную электронику, которая основана на усилении параметров электричества. Основной частью этой технологии являются мощные транзисторы, которые требуют специального охлаждения, и главным критерием является цена. Использование трансформаторов, которые работают только от переменной величины тока, является оптимальным решением.

Назначение и устройство

Трансформатор (Т) — это специализированное электрическое устройство, которое работает только от переменного I и используется для преобразования значений входного U и I в необходимые значения этих величин, предусмотренных потребителем.

Т является довольно примитивным устройством, однако в его конструкции есть некоторые особенности. Для понимания принципа действия однофазного трансформатора следует изучить его назначение и устройство. Устроен однофазный трансформатор следующим образом — он состоит из магнитопровода и обмоток.

Магнитопровод, или сердечник трансформатора, выполнен из ферромагнитного материала.

Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью. Это обусловлено тем, что атомы вещества обладают очень важными свойствами: постоянные спиновые и орбитальные моменты. Свойства ферромагнетиков зависят от температуры и действия магнитного поля. Для изготовления магнитопровода Т используются такие материалы: электротехническая сталь или пермаллой.

Электротехническая сталь содержит в своем составе большую массовую долю кремния (Si), которая под действием высокой температуры соединяется с атомами углерода ©. Этот тип используется во всех типах Т, независимо от мощности.

Пермаллой является сплавом, состоящим из никеля (Ni) и железа (Fe), и применяется только в маломощных трансформаторах.

Тип Т представляет собой катушки, состоящие из каркаса и провода, покрытого изоляционным материалом. Этот провод намотан на основание катушек, и количество витков зависит от параметров Т. Количество катушек может быть 2 и более, оно зависит от конструктивной особенности электрического устройства и определяется сферой применения.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора довольно простой и основан на генерации электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках проводника, который находится в движущемся магнитном поле и сгенерирован при помощи переменного I. При прохождении электричества по обмоткам первичной катушки создается магнитный поток (Ф), который пронизывает и вторичную катушку. Силовые линии Ф благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру. Для получения оптимальной мощности Т необходимо располагать катушки обмоток на близком расстоянии относительно друг друга.

Исходя из закона электромагнитной индукции происходит изменение Ф и индуцируется в первичной обмотке ЭДС. Эта величина называется ЭДС самоиндукции, а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции.

При подключении потребителя к первичной обмотке Т в цепи появится электрическая энергия, которая передается из первичной обмотки через магнитопровод (катушки не связаны гальванически). В этом случае средством передачи электроэнергии служит только Ф. Трансформаторы по конструктивной особенности бывают различные. По достижению максимальной магнитной связи (МС) Т делятся на следующие типы:

При слабой МС происходит значительная потеря энергии и Т такого типа практически не применяются. Основной особенностью таких Т являются незамкнутые сердечники.

Уровень средней МС достигается только при полностью замкнутом магнитопроводе. Одним из примеров такого Т является стержневой тип, у которого обмотки расположены на железных стержнях и соединены между собой накладками или ярмами. В результате такой конструкции получается полностью замкнутый сердечник.

Примером сильной МС является Т броневого типа, обмотки которого располагаются на одной или нескольких катушках. Эти обмотки расположены очень близко, благодаря чему и обеспечивается минимальная потеря электрической энергии. Магнитопровод полностью покрывает катушки, создавая более сильный Ф, который разбивается на 2 части. У трансформаторов такого типа потоки сцепления между обмотками практически равны.

Режимы работы

Т, как и любой вторичный источник питания, имеет определенные режимы работы. Режимы отличаются потреблением I. Существует 2 режима: холостого хода и нагрузки. При холостом ходе Т потребляет минимальное количество I, которое используется только на намагничивание и потери в обмотках на нагревание. Кроме того, происходит рассеивание магнитного поля. Ф создается I магнитодвижущей силы, которую генерирует первичная обмотка. В этом случае I холостого хода составляет 3−10% от номинального показателя (Iн).

При нагрузке во II обмотке появляется I, а значит — и магнитодвижущая сила (МДС). По закону Ленца: МДС II обмотки действует против МДС первичной обмотки. При этом ЭДС в первичной обмотке во время нагрузки Т равна U и прямо пропорциональна Ф. В этом случае получение k можно записать в виде: I1 / I2 = w2/w1 = 1/k.

Исходя из формул для расчета k, можно получить еще одно соотношение Т: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.

Это соотношение показывает, что мощность, потребляемая первичной обмоткой, равна мощности, которую потребляет II обмотка при нагрузке. Мощность Т измеряется в вольт-амперах (ВА).

Основные параметры

Кроме того, следует отметить, что любой Т обладает некоторыми параметрами, которые и отличаются от других трансформаторов. К тому же, если понимать эти зависимости, то можно рассчитать и изготовить Т своими руками.

Связь между ЭДС, возникающей в обмотках Т, зависит от количества витков каждой из них. Исходя из того, что I и II обмотки пронизываются одним и тем же Ф, возможно вычислить следующее соотношение на основании общего закона индукции для мгновенных значений ЭДС:

1. Для первичной с количеством витков w1: e1 = — w1 * dФ/dt * E-8.
2. Для вторичной с количеством витков w2: e2 = — w2 * dФ/dt * E-8.

Соотношение dФ/dt показывает величину изменения Ф за единицу времени. Значение потока Ф зависит от закона изменения переменного тока за единицу времени. Исходя из этих выражений получается следующая формула соотношения числа витков к ЭДС каждой обмотки:

Следовательно, можно сделать следующий вывод: индуцируемые в обмотках значения ЭДС также относятся к друг другу, как и число витков обмоток. Для более простой записи можно сопоставить значения e и U: e = U. Из этого следует, что e1 = U1 e2 = U2 и возможно получить еще одну величину, называемую коэффициентом трансформации (к): e1/e2 = U1/U2 = w1 / w2 = k. По коэффициенту трансформации Т делятся на понижающие и повышающие.

Понижающим является Т, k которого меньше 1, и, соответственно, если к > 1, то он является повышающим. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания Ф (они незначительны и ими можно пренебречь) вычислить основной параметр Т (k) достаточно просто. Для этого необходимо воспользоваться следующим простым алгоритмом нахождения k: найти соотношения U обмоток (если обмоток более 2, то соотношение нужно искать для всех обмоток).

Однако расчет k является только первым шагом для дальнейшего расчета или выявления неисправности на наличие короткозамкнутых витков.

Чтобы определить значения U, необходимо использовать 2 вольтметра, точность которых составляет около 0,2−0,5. Кроме того, для определения k существуют такие способы:

1. По паспорту.
2. Практически.
3. Использование определенного моста (мост Шеринга).
4. Прибором, предназначенным для этой цели (УИКТ).

Таким образом, принцип работы однофазного трансформатора основан на простом законе физики, а именно: если проводник с n количеством витков поместить в магнитное поле, причем это поле должно постоянно меняться с течением времени, то в витках будет генерироваться ЭДС. В этом случае справедливо и обратное утверждение: если в постоянное магнитное поле поместить проводник и осуществлять им движения, то в его обмотках начинает появляться ЭДС.

Устройство и принцип работы однофазного трансформатора

Действующее в электрической сети напряжение 220 Вольт в том виде, в котором оно поступает в квартиру, непригодно для работы большинства электронных устройств. Для приведения его к удобному типу для питания бытовой аппаратуры требуются специальные преобразователи, называемые трансформаторами. С их помощью удается понизить величину питающего напряжения до нужного значения, а затем выпрямить его.

Общие сведения о трансформаторах

В качестве преобразователей эти устройства традиционно применяются для приведения к приемлемому виду мощностей, пересылаемых по высоковольтным линиям. Для «переброски» на огромные расстояния подходят только сверхвысокие напряжения, при которых ток может иметь приемлемую величину.

Если попытаться передать энергию хотя бы на сотню километров в виде привычного напряжения 380 Вольт – для доставки до потребителя нужной мощности потребуется ток величиной в миллионы Ампер.

Для ее рассеяния нужен провод толщиной примерно с человеческое тело, что на практике реализовать невозможно. Поэтому на генерирующей электричество стороне с помощью другого (повышающего) трансформатора его значение поднимается до 110-ти кВ. В таком виде использовать электроэнергию распределения по жилым строениям и производственным объектам нельзя. Поэтому после доставки по ВВ в распределительных станциях 110 кВ понижаются до 10(6) кВ.

Отсюда они поступают в районные трансформаторные подстанции, где в местном понижающем трансформаторе приобретают свой окончательный вид 380 (220) Вольт. При таких значениях потенциалов энергию легко удается транспортировать по подземному кабелю или воздушному проводу СИП до конечного потребителя. Поэтому однофазный трансформатор играет большую роль в жизни человека.

Назначение и устройство

Любой трансформатор 220 Вольт однофазный представляет собой электрическое устройство, работающее только в цепях переменного тока. С его помощью входное напряжение преобразуется в нужную величину (чаще всего оно уменьшается). При этом ток, отбираемый от вторичной обмотки, возрастает, поскольку мощность предается практически без потерь. Отсюда следует, что основное назначение этого прибора – получить нужное для решения задач напряжение, а затем использовать его в конкретных целях.

Составить более полное представление поможет знакомство с конструкцией трансформатора, который состоит из следующих основных элементов:

• сердечник из ферромагнитных материалов;
• первичная и вторичная катушка, размещенная на изолированном каркасе;
• защитный кожух (этот элемент у ряда моделей отсутствует).

В некоторых образцах вместо ферромагнетиков применяются электротехническая сталь или пермаллой. Выбор определенного типа материала сердечника зависит от области использования самого изделия.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора основан на законе, согласно которому действующее в витке переменное э/м поле наводит ЭДС в расположенном рядом проводнике. Явление названо законом электромагнитной индукции Фарадея, который первым обнаружил этот интересный эффект. Для его обоснования ученый разработал целую теорию, которая легла в основу работы большинства современных электротехнических устройств и агрегатов.

Основные ее положения:

• при прохождении тока через виток провода вокруг него формируется магнитный поток, захватывающий все такие же витки, расположенные рядом;
• под воздействием этого потока в них наводится ЭДС, по форме изменений совпадающая с исходным полем;
• при наличии в нем ферромагнетика действие этого эффекта усиливается.

Все эти принципы заложены в основу действия современного трансформаторного изделия. При подключении к вторичной обмотке нагрузки рабочая цепь замыкается, а энергия практически без потерь передается потребителю.

Режимы работы

Подобно любым преобразовательным устройствам трансформатор имеет два режима работы:

• так называемый «холостой ход»;
• режим нагрузки.

При холостом ходе устройство работает без нагрузки и потребляет минимум мощности, рассеиваемой только в первичной обмотке. Ток в ней также минимален и составляет обычно не более 3-10% от значения, наблюдаемого при подключенной нагрузке. Во втором случае в витках вторичной обмотки начинает течь ток, величина которого обратно пропорциональна количеству витков в катушке.

В понижающем трансформаторе напряжение в ней ниже, а ток – больше. В этом режиме мощность в нагрузку передается с учетом теплового рассеяния в сердечнике трансформатора.

Основные параметры

При рассмотрении параметров преобразователей напряжения и тока важно отметить коэффициент трансформации k, определяемый как I1/I2 = w2/w1 = 1/k. Здесь w2 и w1 – число витков во вторичной и первичной обмотках соответственно. Помимо этого, учитываются и такие его характеристики, как размер окна сердечника, в котором размещаются катушки.

Еще одним параметром, характеризующим передаточные свойства однофазного двухобмоточного трансформатора по напряжению, является тот же коэффициент трансформации k, величина которого для понижающего прибора меньше 1. И наоборот, если к > 1 – это изделие является повышающим трансформатором. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания потока вычислить этот показатель очень просто. Для этого удобнее всего воспользоваться простым алгоритмом расчета: k= U2/U1. Если вторичных обмоток несколько, указанный параметр следует определять для каждой из них в отдельности.

Виды трансформаторов и их применение

По конструктивным особенностям сердечника известные образцы однофазных трансформаторов подразделяются на стержневые, кольцевые и броневые изделия. По форме используемого в них магнитопровода они могут быть:

• Ш-образными;
• Тороидальными;
• П-образными.

Каждая из этих форм подходит для определенных целей, связанных с необходимостью получения заданных передаточных характеристик.

По величине максимально достижимой магнитной связи (МС) трансформаторы делятся на изделия с сильным, средним и слабым взаимодействием. Эти характеристики в значительной мере зависят от конструкции самого изделия и вида его сердечника.

Однофазный трансформатор востребован в тех областях, где нужно согласовать две силовые цепи с электрической развязкой каждой из них.

Эксплуатация изделий

При эксплуатации однофазных преобразующих устройств особое внимание обращается на безопасное обращение с ними, что объясняется высоким напряжением, присутствующим на первичных обмотках. Также важно учитывать следующие моменты, касающиеся правил установки и включения трансформаторов в электрические схемы:

• чтобы избежать выхода обмоток из строя (выгорания), следует защищать вторичные цепи от КЗ;
• важно следить за тепловым режимом сердечника и обмоток и, если потребуется, предусмотреть их охлаждение.

Уход за однофазным трансформатором сводится к стандартным процедурам, которые предусмотрены положениями действующих нормативов.

Трансформаторы. Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

2. §1. Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

ТРАНСФОРМАТОРЫ — электротехнические устройства, в
которых электрическая энергия переменного тока от одной
неподвижной катушки ПЕРЕДАЕТСЯ другой неподвижной же
катушке, 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.

3.

Трансформатор –
это электромагнитный аппарат, который
преобразует электрическую энергию переменного
тока, имеющую одни величины, в электрическую
энергию с другими величинами.
В трансформаторе ПРЕОБРАЗУЮТСЯ:
•напряжение,
•ток,
• начальная фаза.
НЕИЗМЕННОЙ остается частота тока.

4.

Простейший трансформатор имеет
магнитопровод (сердечник),
и обмотки.
По количеству обмоток РАЗЛИЧАЮТ трансформаторы
двухобмоточные и многообмоточные.
Обмотка, к зажимам
которой подводится
напряжение, называется
ПЕРВИЧНОЙ.
На зажимы ВТОРИЧНОЙ
обмотки включается
потребитель Zн.
Устройство
двухобмоточного
трансформатора

5.

1.1. Работа вхолостую
Простейший трансформатор,
состоит из двух катушек I и II,
одна над другой.
К катушке I (первичная
обмотка) — переменный ток от
генератора.
С катушкою II (вторичная
обмотка) соединяется цепь
приемниками электрической
энергии.

6.

Принцип действия трансформатора
Ток в первичной катушке I => создается магнитное поле
=> силовые линии пронизывают катушки I и II.
Примерная картина распределения силовых линий
Таким образом катушка II является магнито связанной с
катушкою I при посредстве магнитных силовых линий.
По закону электромагнитной индукции при изменении
пронизывающего катушку магнитного потока (за счет
переменного тока) в катушке индуктируется переменная ЭДС.
В катушке I индуктируется ЭДС самоиндукции,
В катушке II индуктируется ЭДС взаимоиндукции.
Если к катушке II подсоединить приемники электроэнергии =>
в цепи появится ток => приемники получат электроэнергию.

7.

ДЛЯ увеличения магнитной связи I => II и уменьшения
магнитного сопротивления (прохождению магнитного
потока) обмотки технических трансформаторов располагают
на замкнутых железных сердечниках.
А)СТЕРЖНЕВОГО типа Первичные и вторичные катушки
c1 и с2 расположены на железных
стержнях а-а, соединены с торцов
железными
накладками
b-b,
(ЯРМО).
Два стержня а-а и два ярма b-b
образуют замкнутое железное
кольцо
сердечник
трансформатора. =>
В нем проходит магнитный поток,
сцепляющийся с первичной и
вторичной обмотками.

8.

Б)БРОНЕВОГО типа • Первичные и вторичные обмотки
«с», состоящие (каждая) из ряда
плоских катушек, расположены на
сердечнике из двух железных колец
а и б.
• Кольца а и б, окружая обмотки,
покрывают их почти целиком как
бы бронею – БРОНЕВОГО типа.
• Магнитный поток, проходящий
внутри обмоток «с», разбивается
на 2 равные части, замыкающиеся
каждое в своем железном кольце
Применение железных замкнутых магнитных цепей =>
значительное снижение потока рассеяния.
У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и
вторичною обмотками, почти РАВНЫ друг другу.
Исходя из этого

9.

По общему закону индукции мгновенные значения ЭДС обмоток:
W1, W2 — числа витков обмоток,
dФt — изменения магнитного потока за dt, =>
скорость изменения магнитного потока
ЭДС в первичной и вторичной катушках относятся друг к
другу так же, как числа ВИТКОВ катушек.
Приложив к одной катушке
некоторое напряжение =>
на концах другой катушки
получить любое напряжение подходящее отношение между
числами витков этих катушек.
Основное свойство
трансформатора
Коэффициент
трансформации Кт

10.

КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ в обычном
случае определяется как ОТНОШЕНИЕ высшего
напряжения к низшему в режиме холостого хода.
Коэффициент трансформации для понижающего
трансформатора:
E 1 U1 w 1 I 2
Kт
E 2 U 2 w 2 I1
Из этого следует, что трансформатор снижает
напряжение и во столько же раз повышает ток
(и наоборот)

11.

Трансформатор, у
которого коэффициент
трансформации
МЕНЬШЕ ЕДИНИЦЫ,
называется
повышающим
трансформатором.
Трансформатор, у
которого коэффициент
трансформации
БОЛЬШЕ ЕДИНИЦЫ,
называется
понижающим
трансформатором.

12.

В режиме холостого хода:
• Магнитный поток равен номинальному
• Потери на перемагничивание равны номинальным
• Электрические потери малы
• Мощность, потребляемая от источника тратится
только на создание магнитного поля (реактивная) и
нагрев сердечника при перемагничивании (активная).
Режим ХХ характеризует магнитную цепь
трансформатора!

13.

1.2. Работа под нагрузкой
Нагрузка на вторичную обмотку => в ней ток =>
магнитодвижущая сила => против первичной (закон Ленца).
Магнитный поток должен БЫ уменьшаться
НО! если к первичной обмотке — постоянное ПО ВЕЛИЧИНЕ
напряжение => уменьшения магнитного потока почти НЕТ.
ЭДС в первичной обмотке, почти = приложенному напряжению
(и при нагрузке) => Если первичное напряжение постоянно по
величине => ЭДС при нагрузке почти ТА ЖЕ (как при холостой
работе) => Эта ЭДС пропорциональна магнитному потоку =>
полное постоянство магнитного потока при любой нагрузке.
ПОЯВЛЕНИЕ во вторичной обмотке размагничивающей
магнитодвижущей силы сопровождается УВЕЛИЧЕНИЕМ
магнитодвижущей силы первичной обмотки

14.

1.3. Режим короткого замыкания
Это аварийный режим работы трансформатора.
В режиме короткого замыкания:
НАПРЯЖЕНИЕ первичной
НОМИНАЛЬНОМУ,
обмотки
равно
сопротивление нагрузки равно нулю.
В аварийном режиме короткого замыкания
устанавливаются
большие
токи
короткого
замыкания в обмотках. => Эти значения так
велики, что приводят к ВЫХОДУ ИЗ СТРОЯ
обмотки трансформатора.

15.

В режиме короткого замыкания:
Магнитный поток мал по сравнению с номинальным
Потери на перемагничивание равны нулю
Электрические потери равны номинальным
Мощность, потребляемая от источника тратится
только на нагрев обмоток трансформатора.
Режим КЗ характеризует электрические параметры
обмоток трансформатора!

16.

1.4. Основные параметры трансформатора
1.
Номинальное входное напряжение
2.
Номинальное выходное напряжение
3.
Номинальная полная мощность
4.
Частота
5.
Масса и габариты
6.
Ток холостого хода (в % от номинального)
7.
Напряжение короткого замыкания (в % от номинального)
8.
Потребляемая в режиме ХХ активная мощность
9.
Потребляемая в режиме КЗ активная мощность

17.

§2.Общие положения
2.1. Реальный, идеализированный и
приведенный трансформаторы
РЕАЛЬНЫЙ — обмотки расположены на сердечнике, имеют
как активное сопротивление, так и сопротивление рассеяния.
Основной магнитный поток, пронизывающий обе обмотки
ПЛЮС потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток
ИДЕАЛИЗИРОВАННЫЙ – отсутствуют потоки рассеяния,
а активные сопротивления обмоток равны нулю.
ПРИВЕДЕННЫЙ – эквивалентный реальному, коэффициент
трансформации 1 (количество витков вторичной обмотки равно
количеству витков первичной обмотки).

18.

2.2. Изображение трансформаторов на
электрических схемах
Стандартом
предусмотрены
три
способа
графических обозначений трансформаторов:
упрощенный
однолинейный
упрощенный
многолинейный
развернутый
Упрощенное многолинейное трехфазного
трансформатора и
развернутое однофазного
с сердечником
условных

19.

2.3. Схема двухобмоточного
трансформатора без магнитопровода

20. 2.4. Уравнения трансформатора

Уравнения трансформатора в комплексной
форме

21. 2.5. Режимы работы трансформатора

• Режим холостого хода:
ZH = ∞, U2 =0.
• Режим короткого замыкания:
ZH = О, U2 = 0.
• Режим нагрузки.

22. 2.5.1. Режим холостого хода

• Вторичная обмотка не оказывает влияния на
физические процессы в первичной обмотке, при
этом первичная обмотка эквивалентна цепи,
состоящей из последовательно включенных R1 и L1.
Уравнения трансформатора в режиме холостого хода

23. 2.5.2. Режим короткого замыкания

• Так как ток I2к во вторичной обмотке велик, то
даже при малом входном напряжении U1k ток в
первичной обмотке I1k достигает больших значений.
• Это может привести к перегреву или даже
перегоранию одной из обмоток трансформатора.
Уравнения трансформатора в режиме короткого
замыкания

24. 2.5.3. Режим нагрузки

• ТОК вторичной обмотки I2 оказывает существенное
влияние на ТОК в первичной обмотке I1.
• Это обусловлено встречным включением обмоток, при
котором общий магнитный поток в первичной обмотке
равен разности магнитных потоков, создаваемых в ней
токами первичной и вторичной обмоток:
-Магнитный поток от тока I2 УМЕНЬШАЕТ общий
магнитный поток через первичную обмотку
=>
-УМЕНЬШАЕТ суммарную, индуцируемую в ней ЭДС, что
приводит к УВЕЛИЧЕНИЮ тока I1 в ней до такой его
величины, при которой:
• ее суммарная ЭДС совместно с падением напряжения
на активном сопротивлении,
• -уравновесят приложенное к первичной обмотке
напряжение U1.

25. Уравнения для идеального трансформатора

26.

2.6. КПД трансформатора
Коэффициент нагрузки трансформатора

27. §3. Виды трансформаторов

1. Автотрансформаторы
2. Однофазные трансформаторы
3. Трехфазные трансформаторы
4. Измерительные трансформаторы

28. 3.1.Автотрансформаторы

• Специальный тип трансформатора с одной обмоткой, часть
которой принадлежит первичной и вторичной цепям.
• Могут быть повышающие и понижающие, однофазные,
трехфазные, регулируемые и нерегулируемые.
Повышающий и понижающий автотрансформаторы

29. Особенности и достоинства автотрансформаторов

• Ток в общей части обмотки автотрансформатора МЕНЬШЕ,
чем в остальной ее части, т.к. по общей части протекают
почти встречные токи первичной и вторичной цепей.
• МОЩНОСТЬ первичной цепи передается во вторичную цепь
как электромагнитным (трансформаторным), так и
электрическим способами.
• ЭКОНОМИЧНОСТЬ — обмоточные материалы
расходуются только на одну обмотку;
• Меньшие потери в меди и больший КПД общей части направлены встречно;
• Возможность плавной регулировки напряжения U2
вторичной цепи при непрерывном скольжении
контакта по зачищенной поверхности витков.

30. 3.3. Трехфазные трансформаторы

31. 3.4. Измерительные трансформаторы

• Измерительные трансформаторы напряжения и тока.
• Используются для подключения измерительных приборов в
цепи высокого напряжения и больших токов.
• Обычные двухобмоточные трансформаторы.
3.4.1. Измерительные
трансформаторы
напряжения
3.4.2. Измерительные
трансформаторы тока

32. §4. Конструкция трансформаторов

Конструкция трансформатора зависит от:
•его НАЗНАЧЕНИЯ и
•области ПРИМЕНЕНИЯ.
Главные конструктивные элементы — МАГНИТНАЯ
СИСТЕМА и ОБМОТКИ.
•Наиболее широко применяются силовые трансформаторы.
4.1. Плотность тока в ОБМОТКАХ
Плотность тока в обмотках выбирают по условиям нагрева
в зависимости от мощности и
•в сухих (1-2,5)·106А/м2
конструкции трансформатора
•в масляных (2-4,5)·106 А/м2
Максимальное сечение
•круглого проводника — примерно до 20 мм2,
•прямоугольного — 80 мм2.
Предельный ток проводника — соответственно 45 и 360 А.

33. 4.2. Элементы обмотки

Основным элементом обмотки является ВИТОК, который
выполняется одним или группой параллельных проводов.
Ряд витков на цилиндрической поверхности называется
СЛОЕМ.
Витки могут группироваться в КАТУШКИ.
По направлению намотки обмотки делятся на ПРАВЫЕ И
ЛЕВЫЕ подобно резьбе винта.
Большинство обмоток трансформаторов выполняются с
левой намоткой для удобства изготовления.

34. 4.3. Разновидности обмоток

Определяющими для конструкции обмотки являются:
•число витков,
•сечение витка,
•класс напряжения.
По способу размещения обмоток на стержне различают:
•концентрические,
•дисковые или чередующиеся
По конструктивно-технологическим признакам :
•цилиндрические,
•винтовые,
•непрерывные.
Обмотки каждого из этих типов могут подразделяться на:
одно- или многослойные цилиндрические,
одно- или многоходовые винтовые,
дисковые,
переплетенные.

35.

4.3.1. Концентрические, дисковые
• а — концентрические;
• б — дисковые или чередующиеся;
• НН — обмотки НИЗКОГО напряжения;
• ВН — обмотки ВЫСОКОГО напряжения

36. Дисковая катушка чередующейся обмотки из круглого провода

37.

4.3.2. Цилиндрические слоевые обмотки
•Цилиндрические слоевые обмотки выполняются из проводов
прямоугольного или круглого сечения.
•Слои обмотки составляют витки, наматываемые по винтовой
линии.
•При намотке каждый виток слоя укладывают вплотную к
предыдущему витку в направлении высоты обмотки.
•Переход из слоя в слой осуществляется в процессе намотки без
пайки.
Цилиндрическая двухслойная обмотка

38. 4.3.3. Винтовые обмотки

• Винтовая обмотка состоит из ряда витков, наматываемых по
винтовой линии.
• В трансформаторах большой мощности число параллельных
проводников может достигать многих десятков.
• Винтовые обмотки бывают одно-, двух- и многоходовыми.
• Двухходовые и многоходовые обмотки состоят соответственно
из двух или более отдельных винтовых обмоток, вмотанных
одна в другую.
а — одноходовая;
б — двухходовая

39. 4.3.4. Непрерывные обмотки

• Непрерывная
обмотка
состоит
из
ряда
катушек,
расположенных в осевом направлении и соединенных между
собой последовательно без пайки.
o Число катушек в обмотке — от 30 до 150. Витки в катушке
наматываются плашмя по спирали в радиальном
направлении
Катушки
наматываются
вертикальные каналы.
на
рейках,
образующих
На рейки надеваются прокладки, создающие радиальные
каналы между катушками.
Каждый виток обмотки может состоять из одного или
нескольких параллельных проводов.

40. §5. Конструкции магнитных систем

Можно разделить на два основных типа:
Стержневые*
Броневые
*Для силовых трансформаторов применяют преимущественно
магнитные системы стержневого типа.
5.1. Однофазные стержневые
трансформаторы
Однофазные стержневые
трансформаторы имеют
два стержня 2, несущие
обмотки 3, 4.

41. 5.2. Трехфазные стержневые трансформаторы

Трехфазные
стержневые
трансформаторы
имеют три стержня.
Стержни соединяются
верхним и нижним
ярмами.

42. 5.3. Однофазный броневой трансформатор

Однофазный броневой
трансформатор имеет
один стержень 2 и два
ярма 1, закрывающие
(бронирующие) обмотки.
5.4. Трехфазный броневой трансформатор
получается из трех однофазных,
если их поставить друг на друга.
1, 2, 3 — обмотки НН фаз А, В, С;
1’, 2′, 3’— обмотки ВН фаз А, В, С.

43. Общий вид трансформатора мощностью 100 кВ-А и напряжением 6 кВ

1 – расширитель;
2 – газовое реле;
3 – выхлопная труба

44. §6. Схемы и группы соединений

В ОДНОФАЗНЫХ трансформаторах:
• Начала обмоток обозначаются А, а,
• Концы обмоток X, х.
• Большие буквы относятся к обмоткам высшего напряжения,
• Малые — к обмоткам низшего напряжения.
В ТРЕХФАЗНЫХ трансформаторах:
• Начала обмоток высшего напряжения обозначаются А, В, С,
• Концы — X, У,Z.
• Начала обмоток низшего напряжения — а, в, с,
• Концы — х, у,z.
• Нулевые точки — О и о.

45. 6.1. Группы соединений однофазных трансформаторов

Возможны две группы соединений: НУЛЕВАЯ И ШЕСТАЯ.
Эти группы
обозначаются
соответственн
о I/I-0 и I/I-6
Сдвиг фаз между линейными напряжениями обмоток
характеризуют положением стрелок часов.
ЭДС обмотки высшего напряжения — минутная стрелка
устанавливают на 12.
Часовая — напряжение обмотки низшего напряжения.

46. 6.2. Схемы и группы соединений в трех и многофазных трансформаторах

• Наибольшее применение — в ЗВЕЗДУ и ТРЕУГОЛЬНИК.
• ЗИГЗАГ применяется редко, другие — практически нет.
• В звезду обозначается Y, в треугольник — ∆, в зигзаг — Z.
Схемы и
векторные
диаграммы
соединения
обмоток Y и ∆

47. Схема соединения в зигзаг

• В соединениях в звезду и
зигзаг можно вывести
нулевую точку.
• В этом случае получаются
соединения в звезду с
нулевой точкой и в зигзаг
с нулевой точкой.

48. 6.3. Принципы соединения обмоток для многофазных трансформаторов

• Например, для
пятифазной системы
схемами соединения
будут пятифазная
звезда и пятиугольник
(рисунок а, б),
• для m-фазной системы
— m-фазная звезда и
m-угольник.

49. §7. Силовой трансформатор

Силовой трансформатор — устройство, предназначенное для
преобразования переменного тока одного напряжения в
переменный ток другого напряжения той же частоты
Силовой трансформатор 220 кВ

50.

51.

52. 7.1. Виды силовых трансформаторов

По назначению:
По числу фаз:
• Однофазный
• Трехфазный
• Понижающий
• Повышающий
По мощности:
От 0,4 кВ
До 500 кВ
силовой
масляный 35 кВ
трехфазный
силовой
масляный 110 кВ
трехфазный

53.

По способу охлаждения:
Сухой
Силовой
сухой 0,4 кВ
трехфазный
Масляный
Силовой
масляный 0,4 кВ
трехфазный

54. 7.2. Измерительный трансформатор тока

Трансформатор тока – устройство предназначенное для
передачи информации измерительным приборам
Преобразует
ток
для
ИЗМЕРЕНИЯ
стандартными
приборами
Изолирует измерительные приборы от цепи высокого
напряжения
ТТ элегазовый, 110 кВ

55. Виды трансформаторов тока

По роду установки:
ТТ для работы на
открытом воздухе
• Для работы на открытом
воздухе
• Для работы в закрытых
помещениях
• Для встраивания в полости
электрооборудования
• Для специальных установок

56.

По роду изоляции между первичной и
вторичной обмотками ТТ:
С твердой изоляцией (фарфор, литая
изоляция, прессованная изоляция);
С вязкой изоляцией (заливочные компаунды);
С комбинированной изоляцией (бумажно –
масляная, конденсаторного типа);
С газообразной изоляцией (воздух, элегаз).
ТТ с твердой
изоляцией
ТТ с газовой
изоляцией

57. 7.3. Измерительный трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения – устройство, предназначенное
для понижения высокого напряжения.
Позволяет использовать стандартные измерительные
приборы для измерений на высоком напряжении

58. Устройство однофазного трансформатора напряжения

а — общий вид трансформатора напряжения; б — выемная часть; 1,5 — проходные изоляторы;
2 — болт для заземления; 3 — сливная пробка; 4 — бак; 6 — обмотка; 7 — сердечник; 8 винтовая пробка; 9 — контакт высоковольтного ввода

59. Виды трансформаторов напряжения

по числу фаз:
однофазные
трехфазные
по числу обмоток:
двухобмоточные
трехобмоточные
ТН трехфазный
по способу охлаждения:
с масляным охлаждением
с естественным воздушным
(сухие)
по роду установки:
внутренней
наружной
ТН масляный 110 кВ
ТН однофазный

60. 7.4. Обозначение трансформаторов

Буквенные обозначения отражают следующую
информацию:
• – число фаз (для однофазных – О; для трехфазных – Т);
• – вид охлаждения (С; М; Д; ДЦ; Ц);
• – число обмоток (для трехобмоточных – Т);
• – наличие устройства РПН (Н);
• – обозначение автотрансформатора (А), ставится на
первом месте (перед числом фаз);
• – расщепление обмоток (Р), ставится после числа фаз.
После буквенных обозначений трансформатора
указывается его номинальная мощность (кВ А) и
номинальные напряжения (кВ).

61.

Трансформатор типа ТДТГ-16000/110

62.

ТДТГ-16000/110
Трехфазный
трансформатор (Т)
Герметизированная
конструкция бака,
позволяющая исключить
контакт внутреннего объема
трансформатора с
окружающей средой (Г)
С принудительной
циркуляцией воздуха в
системе охлаждения
(Д)
Трехобмоточный (Т)

63. 7.5. Дроссель

Дроссель – катушка с ферромагнитным сердечником, имеющим
зазор для линеаризации ВАХ.
Дроссель
должен
иметь,
по
возможности,
большую
индуктивность при минимальных массе и потерях
Конструкция
дросселя

64.

Вебер-амперные характеристики дросселя и
катушки с ФМ сердечником без зазора

65.

Выводы:
1.
Зазор в сердечнике дросселя спрямляет ВАХ, делая
ее более линейной. Величина линейного участка
зависит от зазора.
2.
На линейном участке ВАХ индуктивность дросселя
постоянна.
3.
При заданном напряжении на катушке увеличение
зазора приводит к росту тока намагничивания.