Назначение трансформаторов
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.
В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.
Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.
Принцип работы трансформаторов
Принцип работы трансформатора связан с принципом электромагнитной индукции. Ток поступающий на первичную обмотку создает в магнитопроводе магнитный поток.
Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1:
U2=U1w2/w1.
При подключении вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток (I1=I2w2/w1,) отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним.
Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора сдвинут по фазе по отношению к току в первичной обмотке на 90°. ЭДС во вторичной обмотке пропорциональна первой производной от магнитного потока. Для синусоидальных сигналов первой производной от синуса является косинус, сдвиг фазы между синусом и косинусом составляет 90°. В результате, при согласном включении обмоток, трансформатор сдвигает фазу приблизительно на 180°. При встречном включении обмоток прибавляется дополнительный сдвиг фазы на 180° и суммарный сдвиг фазы трансформатором составляет приблизительно 360°.
Опыт холостого хода трансформатора
Для испытания трансформатора служит опыт холостого хода и опыт короткого замыкания. При опыте холостого хода трансформатора его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (/2—0).
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой обмотке будет протекать ток холостого хода I0, который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5— 10% номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25—30% номинального тока. Ток холостого хода I0 создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покрытие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.
Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos φ его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3. По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила тока холостого хода I0, потери в стали сердечника Рст и коэффициент трансформации К. Силу тока холостого хода I0 измеряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора. При испытании трехфазного трансформатора определяется фазный ток холостого хода.О потерях в стали сердечника Pст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора.
Коэффициент трансформации трансформатора равен отношению показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток.
Холостым ходом трансформатора называется режим работы, когда к первичной обмотки трансформатора приложено напряжение, а вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии, следовательно, ток в первичной обмотке является намагничивающим, при этом величина его незначительна и составляет 5–8% от величины номинального тока. При холостом ходе трансформатора, не обращая внимания на падение напряжения в первичной обмотке трансформатора I01·z1, можно принять, что э.д.с. в обеих обмотках трансформатора численно равны напряжениям на их зажимах:
E1 ≈ U01 и E2 ≈ U02.
Разделим э.д.с. первичной обмотки на э.д.с. вторичной обмотки, получим:
E1/E2=W1/W2, следовательно, э.д.с., индуктируемые в обмотках трансформатора, пропорциональны числам витков обмоток.
Так как при холостом ходе E1 ≈ U01 и E2 ≈ U02, то можно записать:
E1/E2 ≈ U01/U02=W1/W2.
Значит, и напряжение на первичной стороне U1, а также и на вторичной стороне U2 трансформатора пропорциональны числам витков обмоток трансформатора.
Опыт холостого короткого замыкания трансформатора
При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях.
При опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажимах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и обычно равно 5,5% от номинального значения.
По данным опыта короткого замыкания определяют величину потерь в меди Ям, т. е. потерь на нагрев обмоток. Чаще проводят опыт трехфазного короткого замыкания, при котором подводимое напряжение снижается до 10—20% от U ном для электродвигателей с фазным ротором и до 20—30% для электродвигателей с коротко- замкнутым ротором. Можно также проводить опыт короткого замыкания при однофазном токе, подводя напряжение поочередно к двум выводам статорной обмотки (ротор заторможен).
При проведении опыта однофазного короткого замыкания у фазных двигателей ротор их замыкают накоротко и затормаживают, а к двум фазам статора подводят напряжение, равное 50—60% от номинального. Величина подводимого напряжения во всех случаях проведения опыта короткого замыкания должна быть такой, чтобы ток в обмотках двигателя был номинальный. Продолжительность опыта короткого замыкания нужно сокращать до минимума.
Из данных опытов холостого хода и короткого замыкания определяют номинальный кпд.
