Трансформаторы. Устройство и принцип действия. Физические процессы в трансформаторе

1. Электрические машины

Лекция
Трансформаторы
Устройство и принцип действия. Номинальные
параметры трансформаторов
2022

2.

Трансформаторы
Устройство и принцип действия. Номинальные параметры
трансформаторов
Цель:
Изучить основные понятия, конструкцию и
принцип действия трансформаторов
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
2

3.

Трансформаторы
Устройство и принцип действия. Номинальные параметры
трансформаторов
Содержание:
1. Устройство трансформатора
2. Принцип действия
3. Классификация трансформаторов
4. Конструкция трансформаторов
5. Номинальные параметры трансформаторов
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
3

4.

Устройство трансформатора
• Трансформатор
–
статическое
электромагнитное
устройство,
предназначенное
для
преобразования
посредством магнитной индукции переменного тока
одного напряжения в переменный ток другого
напряжения.
Чаще всего состоит из 2 взаимно неподвижных
электрически не связанных между собой обмоток,
расположенных на ферромагнитном сердечнике.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
4

5.

Устройство трансформатора
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
5

6.

Устройство трансформатора
Простейший
силовой
трансформатор
состоит
из
магнитопровода
(сердечника,
выполненного
из
ферромагнитного
материала
(обычно
листовая
электротехническая сталь)) и двух обмоток (катушек),
расположенных на стержнях магнитопровода.
Обмотка, присоединенная к сети с более высоким
напряжением, называется обмоткой высшего напряжения
(ВН).
Обмотка, присоединённая к сети меньшего напряжения,
называется обмоткой низшего напряжения (НН).
В общем случае U1 ≠U2.
При U2 > U1 трансформатор называется повышающим.
При U1 < U2 –трансформатор называется понижающим.
Трансформатор, имеющий две обмотки (одну
первичную и одну вторичную) называется двухобмоточным.
С тремя и более обмотками трансформатор
называется трехобмоточным
или многообмоточным.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
6

7.

Классификация трансформаторов
Классификация трансформаторов
Трансформаторы разделяют на следующие основные виды:
1. силовые, применяемые:
a) в системах передачи и распределения электроэнергии;
b) для установок со статическими преобразователями;
c) для получения требуемых напряжений в цепях управления
электроприводами и в цепях местного освещения;
2. силовые специального назначения - печные, сварочные т.п.;
3. измерительные - для включения электрических измерительных
приборов в сети высокого напряжения или силового тока;
4. испытательные - для получения высоких и сверхвысоких
напряжений.
Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в
энергетических системах передачи и распределения электроэнергии
имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют
величину переменного напряжения и тока. При этом число фаз,
форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
7

8.

Классификация трансформаторов
Трансформаторы одного и того же назначения могут различаться:
- по виду охлаждения - с воздушным охлаждением и масляным;
- по числу трансформируемых фаз - однофазные и многофазные;
- по форме магнитопровода - стержневые, броневые, бронестержневые,
тороидальные;
- по числу обмоток – двухобмоточные и многообмоточные;
- по конструкции обмоток - с концентрическими и чередующимися
обмотками.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
8

9. Условные обозначения трансформаторов:

Классификация трансформаторов
Условные обозначения
трансформаторов:
Условные обозначения трансформаторов: однофазного (а); трехфазного (б).
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
9

10. Конструкция трансформаторов

Конструкция трансформаторов
Основные части трансформатора - это магнитопровод и обмотки.
Магнитопровод
трансформатора
выполняют
из
листовой
электротехнической стали. Часть магнитопровода, на котором
располагают обмотки, называют стержнем.
В стержневых трансформаторах имеются два стержня и соединяющих
их два ярма. Броневые трансформаторы имеют разветвленный
магнитопровод с одним стержнем и ярмами, частично прикрывающими
("бронирующими") обмотки.
Стержневая конструкция имеет наибольшее распространение, особенно
в трансформаторах большой и средней мощности. Достоинства этой
конструкции - простота изоляции обмоток, лучшие условия охлаждения,
простота ремонта.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
10

11.

Конструкция трансформаторов
Устройство однофазного стержневого (а) и броневого (б) трансформаторов
Магнитопровод однофазного стержневого трансформатора (рисунок а)
имеет два стержня С, на которых размещаются обмотки, и два ярма Я,
которые служат для создания замкнутого магнитопровода.
Однофазный трансформатор броневой конструкции (рисунок б) имеет
один стержень с обмотками и развитое ярмо, которое частично
закрывает обмотки подобно "броне".
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
11

12.

Конструкция трансформаторов
Для преобразования, или трансформации, трехфазного тока можно
использовать три однофазных трансформатора (рисунок 2), обмотки
которых соединяются по схеме звезды или треугольника и присоединяются
к трехфазной сети. Такое устройство называется трехфазной
трансформаторной группой или групповым трансформатором. Чаще,
однако, применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз
Электрические
машины
Ст.пр.
Горбенко А.С.
12
магнитопроводом,
так как такие
трансформаторы
компактнее и дешевле.

13. Конструкция магнитопроводов

Конструкция трансформаторов
Конструкция магнитопроводов
Схемы стыковых магнитопроводов
Укладка листов стали в слоях
шихтованных магнитопроводов
однофазных (а) и трехфазных (б)
трансформаторов
По способу сочленения стержней с ярмами различают трансформаторы со
стыковыми и шихтованными магнитопроводами.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
13

14.

Конструкция трансформаторов
Формы сечения стержней
трансформаторов
Электрические машины
Формы сечения ярем
трансформаторов
Ст.пр. Горбенко А.С.
14

15.

Конструкция трансформаторов
Обмотки бывают цилиндрические, располагаемые на стержнях
концентрически и дисковые, располагаемые на стержнях в чередующем
порядке.
Наиболее распространено равномерное концентрическое расположение
обмоток на всех стержнях магнитопровода, так как зто обеспечивает
малую величину магнитного потока рассеяния. При этом обычно ближе к
стержню располагают обмотку НН, так как она требует меньшей
электрической изоляции от стержня (заземленного), затем укладывают
слой изоляции из картона или бумаги и обмотку ВН.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
15

16.

Конструкция трансформаторов
В трансформаторах с маслянистым охлаждением магнитопровод с
обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом. В
трансформаторах мощностью до 20-30 кВА применяют баки с гладкими
стенками. У более мощных трансформаторов для увеличения
охлаждаемой поверхности стенки бака делают ребристыми или же
применяют трубчатые баки.
Для компенсации объема масла при изменении температуры, а также
для защиты масла трансформатора от окисления и увлажнения при
контакте с воздухом в трансформаторах применяют расширитель.
Трансформаторы средней и большой мощности снабжены газовым реле.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
16

17. Элементы ТМ

Конструкция трансформаторов
Элементы ТМ
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
17

18.

Конструкция трансформаторов
Принцип действия трансформатора
I1
I2
А a
Ф
U1 w1
zн
w2 U2
zн
X
U1
I1
I1w1
Ф
E2
I2
x
U2
E1
Коэффициентом трансформации
называется отношение ЭДС обмотки
высшего напряжения к ЭДС обмотки
низшего напряжения
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
E1 w 1
k
E2 w 2
18

19.

Номинальные параметры трансформаторов
1. Номинальной мощностью трансформатора (Sном, кВ.А) называется
указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую
непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях
места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и
напряжении.
10
16
25
40
63
100
160
250
400
630
Стандартный ряд
1000
1600
2500
4000
6300
кВ.А
мощностей
10000
16000
25000
40000
63000
трансформаторов
100000
160000
250000
400000
630000
Некоторые исключения составляют мощности 20, 32000, 80000,125000,
200000, 500000 кВ.А.
Номинальная мощность для двухобмоточного трансформатора – это
мощность, на которую рассчитана каждая из обмоток.
Трёхобмоточные трансформаторы могут быть выполнены с обмотками
как одинаковой, так и разной мощности. В последнем случае за
номинальную принимается наибольшая из номинальных мощностей
отдельных обмоток трансформатора.
Для трёхобмоточных трансформаторов указывают процентное
соотношение номинальных мощностей обмоток ВН, СН и НН.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
19

20.

Номинальные параметры трансформаторов
2. Номинальные напряжения обмоток трансформатора – это
напряжения первичной (U1.ном, кВ) и вторичной (U1.ном, кВ) обмоток при
холостом ходе трансформатора.
Номинальные напряжения трансформаторов устанавливаются отдельно
для вторичной и первичной обмоток.
а) Номинальным первичным напряжением называется указанное в
паспорте междуфазное (линейное) напряжение, которое подводят к
трансформатору. Это напряжение совпадает с напряжением сети.
б) Номинальное вторичное напряжение – это междуфазное (линейное)
напряжение на вторичной обмотке при ХХ. Номинальное напряжение
устанавливается на 5% выше номинального напряжения сети, например: 6,3
кВ, 10,5 кВ.
По
номинальным
напряжениям
определяется
коэффициент
трансформации, который равен отношению первичного напряжения ко
вторичному напряжению.
kт
Электрические машины
U1.ном
.
U 2.ном
Ст.пр. Горбенко А.С.
20

21.

Номинальные параметры трансформаторов
3. Номинальными токами трансформатора называются указанные в
заводском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается
длительная нормальная работа трансформатора.
Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяют по ее
номинальной мощности и номинальному напряжению.
I ном
Sном
.
3 U ном
4. Потери активной мощности короткого замыкания (ΔРК, кВт).
5. Потери активной мощности холостого хода (ΔР0, кВт).
6. Напряжение короткого замыкания (UК, %) – это напряжение, при
подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой
накоротко другой обмотке в ней проходит ток, равный номинальному.
Напряжение короткого замыкания определяет размер потерь
напряжения в трансформаторе в зависимости от его нагрузки, а также
возможности включения трансформаторов на параллельную работу.
В трёхобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах
напряжение КЗ определяется для любой пары его обмоток при
разомкнутой третьей обмотке.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
21

22.

Номинальные параметры трансформаторов
7. Ток холостого хода (I0, %) характеризует величину активных и
реактивных потерь в стали. Он зависит от магнитных свойств стали,
величины магнитной индукции в сердечнике, конструкции и качества сборки
магнитопровода. В трансформаторах эта величина находится в пределах 1,5
до 4% от номинального тока.
Потери холостого хода и короткого замыкания определяют
экономичность работы трансформатора.
Потери XX состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые
токи. Для их уменьшения применяется электротехническая сталь с малым
содержанием углерода и со специальными присадками, холоднокатаная
сталь толщиной 0,3 мм марок 3405, 3406 и др. с жаростойким изоляционным
покрытием.
Потери КЗ состоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов
нагрузки и добавочных потерь в обмотках и конструкциях трансформатора.
Добавочные потери вызваны магнитными полями рассеяния, создающими
вихревые токи в крайних витках обмотки и конструкциях трансформатора
(стенки бака, ярмовые балки и др.). Для их снижения обмотки выполняются
многожильным транспонированным проводом, а стенки бака экранируются
магнитными
шунтами.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
22

23.

Номинальные параметры трансформаторов
На основе указанных каталожных данных определяют все расчетные
параметры
схем
замещения
трансформаторов:
сопротивления,
проводимости, коэффициенты трансформации. Указанные параметры
влияют на потери мощности и энергии, на отклонения напряжения у
потребителей.
2
Pк U ном
Rт
,
2
Sном
2
U к U ном
Хт
,
100 Sном
P0
Gт 2 ,
U ном
I 0 Sном
Вт
.
2
100 U ном
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
23

24.

Так как КПД силового трансформатора сравнительно высок и может
достигать 98-99%, то можно считать, что в трансформаторе преобразуются
только напряжения и токи, мощность же остается примерно
постоянной, т. е. S1 ≈ S2.
Тогда для однофазного трансформатора U1 ·I1 ≈ U2 ·I2, откуда
В трехфазных трансформаторах полные мощности обмоток S1 ≈ S2
где U1 и I1 – линейные величины напряжения и тока первичной обмотки,
U2 и I2 –то же вторичной.
Таким образом, токи в обмотках трансформатора практически обратно
пропорциональны их напряжениям.

25. Контрольные вопросы

1.В чем заключается принцип действия трансформаторов?
2. Как можно классифицировать трансформаторы?
3. Какой из возможных способов сборки сердечника
силовых
трансформаторов практически является
единственным способом и почему?
4. Какими явлениями обусловлены потери в стали
сердечника трансформатора?
5. Почему сердечник трансформатора выполняется из
листовой электротехнической стали?
6. Какие физические величины для трансформатора
являются номинальными?
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
25

26. Список информационных источников

1. Электрические машины для электроэнергетики: Электронный учебник. / А.П.
Биличенко, А.Д. Мехтиев, К.В. Кирсанова, Е.Г. Нешина. - Караганда: КарГТУ, 2017.
http://rmebrk.kz/book/1160040
2. Копылов, И. П. Электрические машины в 2 т. Том 1 : учебник для вузов /
И. П. Копылов. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. —
267 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-534-03222-2. — Текст : электронный
// ЭБС Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/451783 (дата обращения:
22.06.2021).
3. Копылов, И. П. Электрические машины в 2 т. Том 2 : учебник для вузов /
И. П. Копылов. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. —
407 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-534-03224-6. — Текст : электронный
// ЭБС Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/451784 (дата обращения:
22.06.2021)
4. Электрические машины. Кацман М.М. 12-е изд. - М.: Академия, 2017.— 496 с.
5. Электрические машины: учеб. пособие / Б. Ф. Токарев. - Москва: Альянс, 2018. –
623с.
6. Шумилов, Р.Н. Электрические машины: Учебник / Р.Н. Шумилов, Ю.И. Толстова,
А.Н. Бояршинова. - СПб.: Лань, 2016. - 352 c.
Электрические машины
Ст.пр. Горбенко А.С.
26