Трансформаторы. Получение и распределение энергии

1. ТРАНСФОРМАТОРЫ

2.

Трансформатор — электрический аппарат, имеющий две
или более индуктивносвязанные обмотки и
предназначенный для преобразования посредством
электромагнитной индукции одной или нескольких систем
переменного тока в одну или несколько других систем
переменного тока (ГОСТ Р52002-2003).
Трансформатор осуществляет преобразование напряжения
переменного тока и/или гальваническую развязку в самых
различных областях применения - электроэнергетике,
электронике и радиотехнике.
Конструктивно трансформатор может состоять из одной
(автотрансформатор) или нескольких изолированных
проволочных, либо ленточных обмоток (катушек),
охватываемых общим магнитным потоком, намотанных,
как правило, на магнитопровод (сердечник) из
ферромагнитного магнито-мягкого материала.

3. Получение и распределение энергии

4.

5. ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

6.

Столетов Александр Григорьевич (профессор МУ) сделал первые шаги в
этом направлении — обнаружил петлю гистерезиса и доменную
структуру ферромагнетика (в начале 80-х IX века).
В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто
явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия
электрического трансформатора, при проведении им основополагающих
исследований в области электричества.
Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось
в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не
отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как
изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного
тока.
В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную
катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора.
30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом
Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это
был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой
стержень, на который наматывались обмотки.

7.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884
году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон.
В 1885 г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский
и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который
сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.
Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение
масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д. Свинберн). Свинберн помещал
трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно
повышало надежность изоляции обмоток.
1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР,
когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии —
Московский электрозавод).
В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл
серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь
через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну
трансформаторной стали с добавками кремния.
Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в
начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил,
что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали
появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное
насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а
магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.
С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току.

8. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

9.

Работа трансформатора основана на двух
базовых принципах:
Изменяющийся
во
времени
электрический
ток
создаёт
изменяющееся во времени магнитное
поле (электромагнетизм)
Изменение
магнитного
потока,
проходящего через обмотку, создаёт
ЭДС в этой обмотке (электромагнитная
индукция)
Принцип действия
На одну из обмоток, называемую
первичной
обмоткой,
подаётся
напряжение от внешнего источника.
Протекающий по первичной обмотке
переменный ток создаёт переменный
магнитный поток в магнитопроводе. 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° в обратную сторону
по отношению к магнитному потоку.
Внешний источник
Первичная обмотка
Вторичная обмотка
Сердечник (магнитопровод)
состоит из изолированных листов
электротехнической стали и
служит для усиления магнитной
связи между обмотками.
Нагрузка
Система охлаждения

10. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

11.

Концепция
Стержневой
тип
Броневой тип
Тороидальный
тип

12.

Обмотки
Обмотки
Первичная
Высшего
напряжения
Вторичная
Низшего
напряжения

13.

По числу
фаз
однофазные
По области
применения
По способу
охлаждения
Силовые
сухие
Автотрансформаторы
масляные
Измерительные
трехфазные
многофазные
Специальные

14. Идеализированный трансформатор

Для выяснения сущности физических процессов, происходящих в
трансформаторе, рассмотрим идеализированный трансформатор, у
которого магнитный поток Ф полностью замыкается по стальному
магнитопроводу и сцеплен с обеими обмотками, а потери в стали
отсутствуют.
К первичной обмотке трансформатора (а) подводится синусоидальное
напряжение
Векторная
диаграмма
идеализирова
нного
трансформато
ра,
работающего
без нагрузки
(рис. б) и с
нагрузкой
(рис. в).

15. Комплексные уравнения и векторная диаграмма реального трансформатора

В реальном трансформаторе помимо основного магнитного потока Ф,
замыкающегося по магнитопроводу и сцепленного со всеми обмотками
трансформатора, имеются также потоки рассеяния Фσ1 и Фσ2 , которые
сцеплены только с одной из обмоток. Потоки рассеяния не участвуют в
передаче энергии, но создают в каждой из обмоток соответствующие ЭДС
самоиндукции

16.

C учетом ЭДС самоиндукции и падений напряжения в активных
сопротивлениях обмоток можно составить комплексные уравнения
для первичной и вторичной обмоток трансформатора. Получим
следующую систему уравнений:

17. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

18.

Условная схема работы трансформатора
Е1и Е2
i1
Ф
dФ
e1 W1
W1Фm cos t
dt
e
U1
2
i2
U2
dФ
W2
dt
W1 и W2 – число витков в первичной и вторичной обмотках
Уравнения напряжения трансформатора
Пусть Ф = Фmsin ωt.
Учитывая, что cosωt = - sin(ωt – π/2)
e1 W1Фm sin( t )
2

19.

По аналогии:
e2 W2Фm sin( t )
2
Э.Д.С. е1 и е2 отстают по фазе от Ф на угол π/2
Амплитуда
При
Е1m = ωW1Фm
E1m
E1
и ω = 2πf
2
Получим действующее значение Э.Д.С.
или
E1 4.44W1 fФm
По аналогии
E2 4.44W2 fФm
2
E1
W1 fФm
2
Это трансформаторное э.д.с.

20.

Отношение э.д.с. обмотки высшего напряжения к
э.д.с. обмотки низшего напряжения называется
коэффициентом трансформации
n12 = E1 / E2 = W1 / W2
Учитывая, что S1 ≈ S2 или U1HI1H≈ U2HI2H
n12 ≈ U1H / U2H ≈ I2H / I1H

21.

22.

Для вторичной обмотки (без вывода) можно записать:
E2 + E02 = I2R2 + I2ZH, U2 = I2ZH ,
U2 = E2 – j I2X2 – I2R2
Баланс напряжений на вторичной обмотке:
U2 = E2 – I2Z2 = I2ZH
Z2 – мало, то U2 ≈ E2
Из уравнения баланса м.д.с. можно записать
или
W2
I1 I 0 I 2
W1
W2
I1 I 0 ( I 2
) I 0 I 2 n21
W
1
/
I1 I 0 I
2
где приведенный ток
I
/
2
I 2 n21
Ток в первичной цепи
можно рассматривать
как сумму двух токов

23.

24. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

25. Опыт холостого хода

26. Опыт короткого замыкания

27.

Потери мощности и КПД ТР-РА
Энергетическая диаграмма трансформатора
мощность
первичной
обмотки
мощность во
вторичной обмотке
мощность потерь на
нагревание проводов
первичной и вторичной
обмоток
потери в магнитопроводе
(стали) на гистерезис и
вихревые ток
мощность цепи
приемников

28.

Т.к. Фт =const
коэффициент
нагрузки ТР
Pмагн Px
Pэл Pпр 1 Pпр 2 R I Pк
2
к 1
2
I1
I 1 ном
Sном U 2 I 2 ном
P2 U 2 I 2 cos 2 Sном cos 2
мощность потерь КЗ
Рк = RК I21ном
КПД определяют по формуле:
S ном cos 2
P2
2
S
cos
Pк Px
P2 Pэл Pмагн
ном
2

29.

Зависимость магнитных, электрических потерь и КПД от
коэффициента нагрузки ТР
тах при Рмаг= РЭ
РЭ
Рмаг
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0

30. Внешняя характеристика трансформатора

Для трансформатора очень важной является его внешняя
характеристика, т.е. U2=f(I2) зависимость вторичного
напряжения от тока нагрузки при фиксированном
напряжении U1 и постоянном коэффициенте мощности
приемника cosφ .
Чем больше ток нагрузки I2, тем больше падение напряжения
на сопротивлении обмоток трансформатора и, значит, тем
меньше напряжение U2 .
U2
cos 2 1
I 2 ном
cos 2 0.8
I2

31. Трехфазные трансформаторы

A
Х
a
B
C
Y
Z
c
b
x
y
z

32.

В С
А
U Л 1 3UФ1
U Л 1 U Ф1
nФ nЛ
U Л 2 UФ 2
U Л 2 3UФ2
а
в
с

33.

A
B C
U Л 1 3UФ1
U Л1
UФ1
nФ
UФ 2
3U Л 2
U Л 2 UФ 2
a
в
с

34.

А
В
С
U Л 1 UФ1
U Л1
U Ф1
nФ
3
UФ 2
UЛ2
U Л 2 3UФ2
а в с

35. Специальные трансформаторы

К специальным трансформаторам
относятся: автотрасформаторы,
измерительные трансформаторы,
сварочные трансформаторы и т.д.
Автотрансформаторы предназначены для
регулирования напряжения в сетях
Измерительные трансформаторы служат
для включение в сеть измерительных
приборов, элементов автоматики и т.д.
Сварочные трансформаторы используются в
технологиях соединения или разъединения
металлов и др.

36. Автотрансформатор

I1
I2
U1
W1
W2
I3
Первичная и вторичная
обмотки гальванически
связаны.
RH
U2
I3 = I1- I2
n = W1/ W2 ≈ I2/ I1≈ U1/ U2

37. Трансформатор тока

Л1
Л2
U1
А
U2
W
Это повышающий
тр-р, работающий
в режиме КЗ
n= I1 /I2
I2 ≤ 5 A
I1= nI2

38. Трансформатор напряжения

A
X
x
a
U
W
Это понижающий тр-р,
работающий в режиме
близком к ХХ.
U1/U2 = n
U2 ≤ 100 B
U1= nU2

39. Сварочный трансформатор

U1
U2
U20
U2
δ
UДр
UДр
Др
i2
i2min i2max
δmin δmax