Електричні машини та апарати. Трансформатори. Їх небезпека. Тема 5

1.

НАЦІОНАЛЬНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ
ЦИВІЛЬНОГО
ЗАХИСТУ
УКРАЇНИ

2.

Кафедра
пожежної і техногенної безпеки
об’єктів та технологій

3. РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНА ЕЛЕКТРОТЕХНІКА

ТЕМА 5:
ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ ТА
АПАРАТИ
Тема лекції:
ТРАНСФОРМАТОРИ.
ЇХ НЕБЕЗПЕКА

4. Навчальна мета:

Вивчення конструкції та принципу
роботи трансформатору.
Вивчення режимів роботи
трансформатору.
Аналіз пожежної небезпеки роботи
трансформатору.

5. План лекції:

1. Конструкція трансформатора.
2. Принцип роботи трансформатора.
3. Режими роботи трансформатора, їх
характеристика та пожежна
небезпека.

6. Навчальна література:

1. Кулаков О.В., Росоха В.О. "Електротехніка та
пожежна профілактика в електроустановках".
Підручник. - Х.: НУЦЗУ, 2010. С. 111-128.
2. Методичні вказівки до виконання
лабораторного практикуму з дисципліни
"Електротехніка і ППЕ". Частина 2 // Кулаков
О.В., Волошин О.М. - Х.: Вид. АПБ, 2002.
С.3-15.

7.

3. Методичні вказівки до виконання контрольних
(модульних) робіт / “Електротехніка та
пожежна профілактика в електроустановках”.
Розділ 1. „Електротехніка” // Кулаков О.В.,
Кирилюк А.С., Райз Ю.М., Хоменко В.С. Харків: УЦЗУ, 2013. – 33 с.

8.

1 питання.
Конструкція трансформатора.
Трансформатор – статичний електромагнітний
пристрій, призначений для перетворення електричної
енергії змінного струму з одними параметрами в
електричну енергію змінного струму з іншими
параметрами. У трансформаторі перетворюється
напруга, сила струму, початкова фаза. Частота
залишається незмінною.

9.

Класифікація трансформаторів
За кількістю фаз: однофазні, трифазні та багатофазні.
За кількістю обмоток: двох-обмотковими, трьохобмотковими та багато-обмотковими.
За призначенням: силові та спеціальні.
Силовий трансформатор – трансформатор, який
застосовується для перетворення електричної енергії в
електричних мережах і установках, призначених для приймання і
використання електричної енергії.
Спеціальні
трансформатори
–
трансформатори
спеціального
призначення:
вимірювальні,
зварювальні,
інструментальні, автотрансформатори тощо.
Автотрансформатор - варіант трансформатора, первинна
та вторинна обмотки якого об’єднані в одну загальну обмотку і
мають не тільки магнітний зв’язок, але й електричний.

10.

Номінальні параметри трансформатора
Номінальними
параметрами
трансформатора
називаються зазначені виробником параметри, що забезпечують
його роботу у певних умовах і які є підставою для визначення
умов його випробування та експлуатації:
- повна потужність (однієї обмотки),
- лінійна напруга та сила лінійного струму за
номінальної потужності для первинної та вторинної
обмоток,
- частота,
- кількість фаз,
- схема і група з’єднань.
Також можуть вказуватися: напруга короткого
замикання, режим роботи (тривалий або короткочасний), спосіб
охолодження, вага тощо.

11.

Конструкція трансформатора
- магнітна система (магнітопровід або осердя),
- обмотки,
- система охолодження.

12.

Магнітна система - комплект пластин або інших
елементів, виготовлених з електротехнічної сталі або
іншого феромагнітного матеріалу і зібраних у певній
геометричній формі, призначений для локалізації у ньому
основного магнітного поля трансформатора. За видом
осердя трансформатори бувають стержньові (рис. а),
броньові (рис. б) та кільцеві (тороїдальні) (рис. в).
а)
б)
в)

13.

Обмотка - сукупність витків, що утворюють
електричне коло, в якому складаються ЕРС,
наведені у витках. Основним елементом обмотки
є виток, тобто деталь з електричного провідника,
або ряд паралельно з’єднаних таких деталей, які
однократно охоплюють частину магнітної
системи трансформатора, електричний струм
якого разом зі струмами інших таких деталей та
інших частин трансформатора створюють
магнітне поле трансформатора й у якій під дією
цього магнітного поля наводиться ЕРС.

14.

Система охолодження - призначена для
відведення теплоти, що виділяється при його
нормальній роботі. Система охолодження може
бути природною та примусовою. Існують
наступні основні системи охолодження:
– природне повітряне охолодження;
– природне оливне охолодження;
– масляне охолодження з дуттям;
– масляне охолодження із примусовою
циркуляцією оливи.
Трансформатори з повітряним охолодженням
називаються сухими трансформаторами.

15.

2 питання. Принцип роботи трансформатора
Розглянемо однофазний двохобмотковий трансформатор
i1
~u1
i2
Ф
w1
w2
~u2

16.

Для первинної обмотки:
Магнітний потік: m sin( t )
ЕРС, що індуктована в одному витку обмотки:
е
d
m cos( t ) Em sin( t )
dt
2
Діюче значення ЕРС в одному витку:
E
Em
2
m
2
2 f m
2
4,44 f m
Якщо в первинній обмотці трансформатора w1 витків,
то ЕРС первинної обмотки
E1 4,44 w1 f m

17.

Для вторинної обмотки:
Якщо у вторинній обмотці трансформатора w2 витків,
то ЕРС вторинної обмотки
E 2 4,44 w2 f m
Коефіцієнт трансформації:
E1 w1
K
.
E2 w2
Для трансформаторів, що підвищують: K < 1
Для трансформаторів, що знижують: K > 1

18.

3 питання. Режими роботи трансформатора, їх
характеристика та пожежна небезпека
1 режим - режим холостого ходу
Холостим ходом називають режим роботи
трансформатора, коли його первинна обмотка
приєднана до кола змінного струму, а вторинна
розімкнута.
I1=І0
U1
Φ
w1
I2=0
w2
U2

19.

Невеличкий струм холостого ходу створює мале
падіння напруги (I10 r1) в опорі r1 первинної обмотки
(його величина не перевищує 0,5% від величини
прикладеної напруги U1). Тому можна вважати
e1 u1
Якщо напруга, що прикладена до первинної
обмотки, змінюється в часі по синусоїдальному
закону, то ЕРС первинної обмотки, що урівноважує
цю напругу, також буде змінюватися по
синусоїдальному закону:
e1 E m1 sin( t )

20.

ЕРС вторинної обмотки створюється тим же
магнітним потоком, що й ЕРС первинної обмотки.
Тому
e2 E m 2 sin( t )
Тому вираз для коефіцієнта трансформації має
вигляд:
w1 e1 EM 1 E1
U1
K
w2 e2 EM 2 E2 U 2 хх

21.

Векторна діаграма
для холостого ходу трансформатора (похожа на
векторну діаграму котушки індуктивності)
U1
o
Io
Ia0
Ip0
E2
E1
Ф

22.

Ф - вектор магнітного потоку,
Е1 - вектор ЕРС первинної обмотки,
Е2
- вектор ЕРС вторинної обмотки:
E К E
I 0 - сила струму холостого ходу (має дві
1
2
складових – активну та реактивну (що
намагнічує)):
2
I 0 I a02 I р0
Струм холостого ходу малий (не перевищує
декількох % від номінального струму первинної
обмотки). Тому: U1 E1

23.

Для холостого ходу трансформатора
E1
U1
4,44 w1 f 4,44 w1 f
При збільшенні первинної напруги вище
номінальної внаслідок насичення різко збільшується
струм холостого ходу і трансформатор працює в
пожежонебезпечному режимі.
Висновок: режим холостого ходу застосовується
для
визначення
коефіцієнта
трансформації
трансформатору.

24.

2 режим - режим навантаження
При підключенні навантаження до затискачів
вторинної обмотки збудженого трансформатора
створюється електричне коло, у якому під дією
ЕРС е2 вторинної обмотки створюється змінний
струм i2. Величина струму залежить від опору
навантаження. Вторинну обмотку трансформатора
можна розглядати як нове джерело змінного
струму, що не має електричного зв'язку з
зовнішнім джерелом живлення.

25.

Φ
I1
w1
U1
I2
w2
U2
Zн

26.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) трансформатора
визначається формулою
Р2
Р1
Р1 - потужність споживання енергії в первинній
обмотці трансформатора,
Р2 – потужність передавання енергії в
навантаження.
Сучасні трансформатори мають ККД до 97-99%.
Тому можна вважати:
Р1 Р2.
U1·I1 U2 · I2
I1 U 2
I 2 U1

27.

Векторна діаграма навантаженого трансформатора
Uр1
Uа1
-Е1
U1
1
2
I2/K
I0
U2
2
I2
I1
-Uа2
-Uр2
E2
E1
Φ

28.

Ф - вектор магнітного потоку,
Е1 - вектор ЕРС первинної обмотки,
Е 2 - вектор ЕРС вторинної обмотки:
I 0 - сила струму холостого ходу,
I2
E2
(r2 rн ) 2 ( Х 2 Х н ) 2
2 arctg
Х2 Хн
r2 rн
E1 К E2
- сила струму вторинної обмотки,
- кут зсуву фаз між силою струму
та ЕРС вторинної обмотки,
U 2 E2 U р 2 U а2
- вектор вторинної напруги,
1
I1 I 0 I 2
- вектор сили первинного струму,
К
U1 E1 U р1 U а1 - вектор первинної напруги.

29.

3 режим - режим короткого замикання
Режим КЗ трансформатора - аварійний режим
роботи трансформатора, при якому первинна обмотка
приєднана до кола змінного струму, а вторинна
обмотка замкнена без навантаження (накоротко). У
цьому випадку сила струму у вторинній обмотці буде
визначатися величиною опору вторинної обмотки
трансформатора.
Враховуючи
мале
значення
величини опорів, сила струму буде великою та
значно більшою за максимально припустиму:
I 2КЗ
I 1КЗ
К

30.

Робочі характеристики трансформатора
а) залежність зміни коефіцієнта потужності первинної обмотки
від коефіцієнта завантаження трансформатора;
б) залежність зміни ККД від коефіцієнта завантаження
трансформатора;
в) залежність зміни напруги вторинної обмотки від
коефіцієнта завантаження трансформатора – зовнішня
характеристика трансформатора;
г) залежність зміни сили струму у первинній обмотці від
коефіцієнта завантаження трансформатора.
Коефіцієнт завантаження трансформатора:
I2
I 2 ном

31.

Вид робочих характеристик трансформатора
η, %
cos 1
1
cos 2=1
cos 2<1
100
cos 2=1
cos 2<1
0
а)
1
U2, B
β
cos 2<1
( 2<0)
cos 2=1
U2ном
0
б)
1
β
1
β
I1, A
I1ном
cos 2<1( 2>0)
0
в)
1
β
0
г)

32.

Дослідження трансформатора
Для дослідження трансформаторів (визначення їх параметрів
та характеристик) проводять три досліди:
-дослід холостого ходу,
- дослід навантаження,
- дослід короткого замикання.
Дослід холостого ходу однофазного трансформатора визначаються наступні параметри трансформатора: коефіцієнт
трансформації, кількість витків у обмотках, сила струму
холостого ходу, потужність магнітних втрат.
Дослід холостого ходу проводять при розімкненій вторинній
обмотці трансформатора, при цьому у первинну обмотку
вмикають вольтметр, амперметр та ватметр, у вторинну –
вольтметр.

33.

Дослід навантаження однофазного трансформатора визначаються робочі характеристики трансформатора:
залежність зміни коефіцієнта потужності первинної обмотки
від коефіцієнта завантаження трансформатора, зовнішня
характеристика трансформатора, залежність зміни сили струму
первинної обмотки від коефіцієнта завантаження
трансформатора.
Дослід короткого замикання - визначаються потужність
електричних втрат у трансформаторі, опори обмоток
трансформатора та робоча характеристика трансформатора –
залежність зміни ККД від коефіцієнта завантаження
трансформатора.

34.

Умовне позначення
однофазного трансформатора на електричних схемах

35.

Трифазний трансформатор
B
A
C
X
Y
Z
x
y
z
a
b
c

36.

Схема з’єднань – спосіб з’єднання обмоток
трансформатора. Обмотки трифазного
трансформатора можуть бути з’єднані "зіркою"
(позначення Y) і "трикутником" (позначення Δ).
Можливі схеми з’єднання: Y/Y, / , Y/ , /Y.
Група з’єднань – цифри, що позначають кут
зсуву вторинної лінійної напруги відносно
первинної лінійної напруги, що необхідно знати при
вмиканні трансформаторів у паралельну роботу.
Група з’єднань позначається цифрами 12, або 11,
або 1. Коли стоїть цифра 12, то це означає кут зсуву
360º, цифра 11 – 330º, цифра 1 – 390º.

37.

Коефіцієнт трансформації трифазного
трансформатора при однакових з'єднаннях обмоток
(Y/Y або / ) визначається відношенням лінійних
напруг, а при різних ( /Y або Y/ ) - як відношення
фазних напруг.
Умовне позначення трифазного трансформатора
на електричних схемах
Y
Δ

38.

Пожежна небезпека трансформаторів
При вивченні будь-яких електроустановок
аналіз їх пожежної небезпеки здійснюється у такому
порядку:
- аналіз наявності горючого середовища;
- можливі джерела запалювання;
-
умови, що сприяють розвитку пожежі.

39.

Завдання на самопідготовку:
1.Вивчити сторінки літератури, що
рекомендовано.
2. Підготуватися до ЛР №5 (по
лабораторному журналу).