Электрические машины. Работа трансформатора под нагрузкой. Опыты холостого хода и короткого замыкания

1.17 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

7.1 ТРАНСФОРМАТОРЫ

7.1.1 Назначение, принцип работы и применение трансформаторов

Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, преобразующий посредством электромагнитной индукции переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

Трансформаторы различаются:

·  по числу фаз питающей сети – на одно- и трехфазные;

·  по соотношению напряжений первичной и вторичной обмотки – на повышающие U₂ > U₁ и на понижающие U₂ < U₁, где U₁ – напряжение питания первичной обмотки, U₂ – напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора;

·  по назначению – на силовые и специальные (измерительные, согласующие, сварочные, печные, автотрансформаторы, импульсные и т.д.);

·  по конструкции – на сухие и масляные. В сухих трансформаторах охлаждение осуществляется при естественной или искусственной конвекции воздуха, а в масляных – при естественной или принудительной циркуляции трансформаторного масла.

Трансформатор характеризуется номинальными данными, которые указаны на его заводском щитке.

Номинальная мощность трансформатора S_н – полная мощность на зажимах вторичной обмотки, указываемая на щитке и выраженная в вольт–амперах (ВА) или киловольт–амперах (кВА).

Номинальное первичное напряжение U_1Н – напряжение сети, на которое рассчитан трансформатор.

Номинальное вторичное напряжение U_2Н – напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе и номинальном первичном напряжении.

Номинальные токи обмоток – первичный I_1Н и вторичный I_2Н – токи, соответствующие номинальным значениям напряжений и мощности.

Для трехфазных трансформаторов в качестве номинальных значений напряжений и токов указывают линейные величины.

На электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, передавать же ее на дальние расстояния с целью уменьшения потерь выгодно при значительно больших напряжениях (110,220,330,500 и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.

Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населенными пунктами, в городах, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям при напряжении 35, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех узлах распределительных сетей должны быть установлены понижающие трансформаторы. На самом предприятии в цехах потребление электроэнергии в большинстве случаев производится напряжением 220, 380 и 660 В, что также требует использование понижающих трансформаторов.

Таким образом, электрическая энергия при передаче от электрических станций к потребителям подвергается в трансформаторах многократному преобразованию (3 – 5 раз).

Основными частями трансформатора являются сердечник  и обмотки. Сердечник для уменьшения потерь от вихревых токов собирают из листов специальной электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм. Толщина листов зависит от частоты питающего напряжения. Так, например, при:   f=50 Гц, толщина листа – 0,5 мм;

f=400 Гц, толщина листа – 0,35 мм.

Листы перед сборкой сердечника покрывают с обеих сторон лаком. Сама электротехническая сталь обладает большой магнитной проницаемостью, что уменьшает намагничивающий ток трансформатора I_op, и малыми удельными потерями в стали, что уменьшает активную составляющую тока холостого хода I_oa. В результате отмеченных факторов использование электротехнической стали приводит к уменьшению всего тока холостого хода трансформатора.

Работа трансформаторов основана на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим ее на примере однофазного двухобмоточного трансформатора (рисунок 7.1).

Первичная обмотка трансформатора, имеющая w₁ витков, подключается к источнику синусоидального напряжения u₁. К вторичной обмотке с числом витков w₂ присоединяют нагрузку с сопротивлением z_н. Начало и конец обмотки высшего напряжения (ВН) обозначают буквами А и Х, обмотки низшего напряжения (НН) – буквами a и x.

Переменный ток первичной обмотки создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь по магнитопроводу, этот поток сцепляется с обмотками трансформатора и наводит в них ЭДС:

                                  (7.1)

где е₁ – ЭДС самоиндукции, е₂ – ЭДС взаимоиндукции.

При подключении нагрузки z_н за счет ЭДС е₂ появится ток i₂ и на выводах вторичной обмотки установится напряжение u₂. Данное напряжение, как и ток i₂, будут отличаться