Назначение и принцип действия однофазного трансформатора

Назначение и принцип действия однофазного трансформатора

В энергетической сфере деятельности используются первичные источники высокого переменного напряжения, однако в быту или на предприятиях необходимо значительно его снизить. Для этой цели применяются трансформаторы. Для полного понимания и грамотного применения напряжения в быту необходимо знать принцип действия однофазного трансформатора.

  • Общие сведения о трансформаторах
  • Назначение и устройство
  • Принцип действия
  • Режимы работы
  • Основные параметры

Назначение и устройство

Любой трансформатор 220 Вольт однофазный представляет собой электрическое устройство, работающее только в цепях переменного тока. С его помощью входное напряжение преобразуется в нужную величину (чаще всего оно уменьшается). При этом ток, отбираемый от вторичной обмотки, возрастает, поскольку мощность предается практически без потерь. Отсюда следует, что основное назначение этого прибора – получить нужное для решения задач напряжение, а затем использовать его в конкретных целях.

Составить более полное представление поможет знакомство с конструкцией трансформатора, который состоит из следующих основных элементов:

  • сердечник из ферромагнитных материалов;
  • первичная и вторичная катушка, размещенная на изолированном каркасе;
  • защитный кожух (этот элемент у ряда моделей отсутствует).

В некоторых образцах вместо ферромагнетиков применяются электротехническая сталь или пермаллой. Выбор определенного типа материала сердечника зависит от области использования самого изделия.

Принцип работы

Однофазный трансформатор работает на определённом законе, ввиду которого идущее в витке переменное электромагнитное поле наводит электродвижущую силу в расположенном рядом проводнике. Действие названо законом электромагнитной индукции, которое было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. В результате обоснования закона учёный создал общую теорию, используемую в работе огромного числа современных электрических приборов.

При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает в сердечнике (магнитопроводе) переменный магнитный поток. Замыкаясь в сердечнике, этот поток сцепляется с первичной и вторичной обмотками и индуцирует в них ЭДС, пропорциональные числу витков W.

Принцип работы трансформатора

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции:
во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции:
При подключение ко вторичной обмотке нагрузке потечет I2 и установиться U2.

Какими главными преимуществами обладает броневой тип однофазных трансформаторов

  • при наличии замкнутых магнитных цепей возможно технически выгодное снижения потока рассеяния;
  • Магнитные потоки первичной и вторичной обмоток практически равны друг другу;
  • внутри системы срабатывает закон индукции для мгновенных физических значений основных электродвижущих сил;

Таким образом, в ходе доказательных исчислений становится понятно, электромагнитные силы в катушках пропорционально зависят от числа витков в катушках. А самоиндуктивная электродвижущая сила первой катушки балансирует в этой же детали напряжение, в то время как ЭДС вторичной катушки приобретает те же значения, что параметры напряжения на концах описываемой катушки. То есть все объяснимо и предсказуемо по физическому закону индукции.

Cтатьи из категории: Приборы и оборудование

Трансформаторы напряжения измерительные служат для преобразования высоких значений напряжения в подходящие для возможности подключения электроизмерительных приборов – вольтметров, счетчиков, ваттметров, фазометров, реле напряжения и других устройств.

Более ста лет человечество пользуется изобретением русского инженера М. Долило-Добровольского, который, используя опыт Н.Теслы и Г.Ферариса, разработал самую популярную конструкцию электродвигателя. В 1891 г. изобретатель презентовал одновременно несколько моделей трехфазных […]

Почему электропитание именно ванной комнаты должно осуществляться особенно тщательно? Ответ на вопрос очевиден – ванная ввиду своих небольших размеров и постоянной повышенной влажности является помещением, где поражение электрическим током более […]

Для осуществления гальванической развязки схем управления и высокого напряжения, а также возможности измерения больших величин токов и напряжений применяются измерительные трансформаторы – устройства, на одну из обмоток которых подается измеряемое […]

Общеизвестно, что в соответствии с нормативными положениями «настольной книги электрика» (ПУЭ) допускаются следующие способы соединения электрических проводов: пайка; сварка; опрессовка; монтаж с помощью специальных зажимов.

К сожалению, качество услуг, поставляемых энергораспределяющими компаниями, на сегодняшний день оставляет желать лучшего, а в некоторых случаях заставляет сказать в их адрес целую тираду из слов ненормативной лексики.

Простейшая галогенная лампа относится к разряду типовых осветительных устройств и представляет собой обычную лампу накаливания, кварцевая колба которой наполнена инертным газом. В состав этого газа вводятся добавки галогенов (йода или […]

В ходе проведения различных ремонтных и электромонтажных операций нередко возникают ситуации, связанные с необходимостью определения наличия напряжения на отдельных участках электрической цепи. Кроме того, нередки и такие случаи, когда нужно […]

Как выбрать понижающий трансформатор

Реактивную мощность в вар. Опыт короткого замыкания Опыт «короткого» замыкания проводится при пониженном напряжения питания, так как ток в обмотках трансформатора может превысить номинальные значения при повышении напряжения.

Но последние векторы не могут дать замкнутого равностороннего треугольника. Соединение треугольник — треугольник дает возможность не прерывать работы линии при порче одной из фаз, если трансформирование происходит помош,ью трех однофазных или одного броневого трехфазного трансформатора, В этих случаях просто отключают пострадавший трансформатор или пострадавшую обмотку, не отключая двух других от линии.

Например, стандартами: Дело касается коэффициента трансформации. Первичная обмотка выполняется с большим сечением и меньшим количеством витков чем вторичная, часто выполняется в виде проходной шины.

Зададим положение векторов напряжений первичной обмотки треугольником АВС. Необходимо заметить, что и при заземленной нейтрали изоляция может подвергнуться действию напряжения, большего, чем фазное, если заземление нейтрали осуществляется через сопротивление.

Особенностью первичной трансформаторной обмотки является последовательное включение в измеряемую электрическую цепь.

Одновитковые модели токовых трансформаторов представлены разновидностями, не имеющими индивидуальную первичную обмотку или с наличием индивидуальной обмотки первичного типа. В схеме на рис.

При этом трансформатор с более высоким вторичным напряжением «холостого хода» оказывается перегруженным.
Трансфоматоры тока- устройство и сборка схемы.

Общее устройство и принцип работы

Каждый трансформатор оборудуется двумя или более обмотками, индуктивно связанными между собой. Они могут быть проволочными или ленточными, покрытыми изоляционным слоем. Обмотки наматываются на сердечник, он же магнитопровод, выполненный из мягких ферромагнитных материалов. При наличии одной обмотки, такое устройство называется автотрансформатором.

Принцип действия трансформатора довольно простой и понятный. На первичную обмотку устройства подается переменное напряжение, что приводит к течению в ней переменного тока. Этот переменный ток, в свою очередь, вызывает создание в магнитопроводе переменного магнитного потока. Под его воздействием в первичной и вторичной обмотках происходит наведение переменной электродвижущей силы (ЭДС). Когда вторичная обмотка замыкается на нагрузку, по ней также начинает течь переменный ток. Этот ток во вторичной системе отличается собственными параметрами. У него индивидуальные показатели тока и напряжения, количество фаз, частота и форма кривой напряжения.

В конструкцию простейшего силового трансформатора входит магнитопровод, изготавливаемый из ферромагнитных материалов, преимущественно из листовой электротехнической стали. На стержнях магнитопровода – сердечника располагаются первичная и вторичная обмотки. Первичная обмотка соединяется с источником переменного тока, а вторичная подключается к потребителю.

Читайте также  Как натянуть цепь на электропиле

Устройство трансформаторов напряжения

Как и все трансформаторы, как это было сказано выше, данный тип трансформаторов имеют как первичные обмотки (высоковольтные), так и вторичные (низковольтные). Различают однофазные и трехфазные трансформаторы напряжения.

В каждом из них имеется магнитопровод, к которому предъявляются довольно высокие требования. Дело в том, что чем больше рассеивание магнитного потока в таком трансформаторе, тем больше погрешность измерения. Кстати. В зависимости от погрешности различают трансформаторы по классу точности различаются (0,2; 0,5; 1; 3). Чем выше число, тем больше погрешность измерений.

К примеру, трансформатор с классом точности 0,2 может допустить погрешность не выше 0,2% от измеряемой величины напряжения, а, соответственно, класса точности 3 – не более 3%.

Обозначения на схемах и натуральное исполнение бывает сильно отличаются друг от друга.

Однофазный двухобмоточный трансформатор представлен на рисунке, так, как он выглядит на самом деле.

На схемах он обозначается как:

Обратите внимание, трансформатор понижающий, во вторичной обмотке меньше витков, чем в первичной, и это отражено визуально на схеме в данном случае, хотя это и не всегда делается. Кроме того, начала и концы обмоток обозначены на схеме и на самом трансформаторе. Первичные обмотки обозначаются большими (прописными) буквами AиX. Вторичные – малыми (строчными) буквами a и x.

Существуют и трехобмоточные однофазные трансформаторы, у которых две вторичных обмотки. Одна из которых является основной, а вторая дополнительной. Дополнительная обмотка служит для контроля изоляции и имеет аббревиатуру КИЗ. Маркировка выводов этой обмотки следующая ад — начало обмотки, хд — конец обмотки.

Трехфазные трансформаторы выпускаются с двумя типами магнитопроводов: трехстержневые и пятистержневые.

Начала и концы здесь обозначаются несколько по-другому. На первичных обмотках начала обозначаются буквами A, B иC согласно фазам к которым они будут подключаться, а концы буквами X,Y и Z. Вторичные обмотки, соответственно, малыми буквами a,b,cи x,y,z.

Магнитные потоки создаваемые катушками AX, BY, CZ компенсируют друг друга при нормальных условиях работы. Но вот в случае пробоя одной из фаз на землю в стержнях магнитопровода создается слишком большой дисбаланс и часть потока будет закольцовываться через воздух, что создает сильный нагрев трансформатора из-за повышения номинального тока в обмотках. Дополнительные стержни, как раз и призваны взять на себя образовавшиеся разбалансированные потоки и не допустить перегрева трансформатора. При этом в нем наматываются дополнительные обмотки, но об этом несколько позже.

Принцип работы ТН

Принцип действия трансформатора напряжения аналогичен принципу работы трансформатора тока. Обозначим это еще раз. По первичной обмотке проходит переменный ток, этот ток образует магнитный поток. Магнитный поток пронизывает магнитопровод и обмотки ВН и НН. Если ко вторичной обмотке подключена нагрузка, то по ней начинает течь ток, который возникает из-за действия ЭДС. ЭДС наводится из-за действия магнитного потока. Подбирая разное количество витков первичной и вторичной обмоток можно получить нужное напряжение на выходе. Более подробно это показано в статье про векторную диаграмму трансформатора напряжения.

Если на ТН подавать постоянное напряжение, то ЭДС не создается постоянным магнитным потоком. Поэтому ТНы выпускают на переменное напряжение. Коэффициентом трансформации трансформатора напряжения называют естественно отношение напряжения первичной обмотки к напряжению вторичной и записывают через дробь. Например, 6000/100. Когда приходят молодые студенты, они иногда на вопрос какой коэффициент отвечают 60. Не стоит так делать.

Параметры схемы замещения трансформаторов

В электрических сетях используются различные виды трансформаторов: двухобмоточные, трёхобмоточные, автотрансформаторы, трансформаторы с расщеплением обмоток сторон. В зависимости от вида трансформаторы представляются различными схемами замещения.

Двухобмоточный трансформатор

Условное обозначение двухобмоточного трансформатора и его схема замещения приведены на рис. 1 [1].


Рис. 1. Условное обозначение двухобмоточного трансформатора и его схема замещения

Активное RT и реактивное XT сопротивления трансформатора являются суммой активных и реактивных сопротивлений рассеяния обмотки высшего напряжения и низшего напряжения, причём величины сопротивления приводятся к одной из сторон. В поперечной ветви схемы замещения трансформатора находятся активная GT и реактивная проводимости ВT. При этом проводимости обычно подключают со стороны питания: для повышающих трансформаторов – со стороны низшего напряжений, для понижающих – со стороны высшего напряжения.

В приведённой на рис. 1 схеме замещения отсутствует идеальный трансформатор, поэтому одно из напряжения является приведённым к напряжению другой стороны.

Величина активного сопротивления трансформатора RT в Ом определяется из паспортных данных по выражению

где ΔPк – потери активной мощности в режиме холостого хода, Вт;
Uном – номинальное напряжение стороны трансформатора, В;
Sном – номинальная мощность трансформатора, ВА.

Величина реактивного сопротивления трансформатора XT в Ом определяется из паспортных данных по выражению

где Uк – напряжение короткого замыкания, %;
Uном – номинальное напряжение стороны трансформатора, В;
Sном – номинальная мощность трансформатора, ВА.

Величина активной проводимости трансформатора GT в См определяется из паспортных данных по выражению

где ΔPх – потери активной мощности в режиме холостого хода, Вт;
Uном – номинальное напряжение стороны трансформатора, В.

Величина реактивной проводимости трансформатора BT в См определяется из паспортных данных по выражению

где Iх – ток холостого хода трансформатора, %;
Uном – номинальное напряжение стороны трансформатора, В;
Sном – номинальная мощность трансформатора, ВА.

Трёхобмоточный трансформатор

Условное обозначение трёхобмоточного трансформатора и его схема замещения приведены на рис. 2 [1].


Рис. 2. Условное обозначение трёхобмоточного трансформатора и его схема замещения

Параметры схемы замещения рассчитываются исходя из паспортных данных трансформатора. Активные сопротивления R обмоток сторон рассчитываются по следующим выражениям

где Uном – номинальное напряжение стороны трансформатора, В;
Sном – номинальная мощность трансформатора, ВА;
ΔРк,в = 0,5 ∙ (ΔРк,вн + ΔРк,вс + ΔРк,сн);
ΔРк,с = 0,5 ∙ (ΔРк,вс + ΔРк,сн + ΔРк,вн);
ΔРк,н = 0,5 ∙ (ΔРк,вн + ΔРк,сн + ΔРк,вс);
ΔPк,вн, ΔPк,вс, ΔPк,сн – мощности короткого замыкания при закороченных обмотках сторон высшего и низшего, высшего и среднего и среднего и низшего напряжений соответственно, Вт.

Реактивные сопротивления X сторон рассчитываются по следующим выражениям

Если в паспортных данных задано только одно значение мощности короткого замыкания ∆Рк (обычно для обмоток сторон высшего и среднего напряжения ∆Рк,вс), то потери мощности в каждой обмотке определяются по следующим выражениям:

$ begin Delta P_textrm <к,вс>= Delta P_textrm <к,в>+ Delta P_textrm <к,с>\ Delta P_textrm <к,в>/ Delta P_textrm <к,с>= S_textrm <с,ном>/ S_textrm <в,ном>\ Delta P_textrm <к,в>/ Delta P_textrm <к,н>= S_textrm <н,ном>/ S_textrm <в,ном>end $

Проводимости трёхобмоточного трансформатора рассчитываются аналогично проводимостям двухобмоточных трансформаторов.

Двухобмоточный трансформатор с расщеплением обмотки низшего напряжения

Условное обозначение двухобмоточного трансформатора с расщеплением обмотки низшего напряжения и его схема замещения приведены на рис. 3.


Рис. 3. Условное обозначение двухобмоточного трансформатора с расщеплением обмотки низшего напряжения и его схема замещения

Параметры схемы замещения рассчитываются исходя из паспортных данных трансформатора. Активные сопротивления R обмоток сторон рассчитываются по следующим выражениям

Читайте также  Как паять пластик

где $ R_textrm <общ>= Delta P_textrm <к>cdot frac>> $;
ΔРк – потери активной мощности в режиме холостого хода, Вт;
Uном – номинальное напряжение стороны трансформатора, В;
Sном – номинальная мощность трансформатора, ВА.

Для определения индуктивных сопротивлений обмоток необходим учёт расположения обмоток на магнитопроводе. Для группы однофазных трансформаторов

где $ X_textrm <общ>= frac> <100%>cdot frac>>, $,
Uк – напряжение короткого замыкания, %;
Uном – номинальное напряжение стороны трансформатора, В;
Sном – номинальная мощность трансформатора, ВА.

Для трехфазных трансформаторов

где Xобщ рассчитывается аналогично вышеприведённому выражению.

Автотрансформатор

Условное обозначение автотрансформатора и его схема замещения приведены на рис. 4 [1].


Рис. 4. Условное обозначение двухобмоточного автотрансформатора и его схема замещения

Параметры схемы замещения автотрансформатора рассчитываются аналогично трёхобмоточному трансформатору. Отличие расчёта параметров схемы замещения автотрансформатора может заключаться в том, что часть паспортных данных может быть приведена к типовой мощности, определяемой коэффициентом выгодности α. Типовой мощностью автотрансформатора называется та мощность, которая передаётся электромагнитным путём.

Если в паспортных данных параметры ΔРк,вн, ΔРк,сн, Uк,вн и Uк,сн приведены к типовой мощности автотрансформатора, то их следует пересчитать к номинальной мощности автотрансформатора по следующим выражениям

где «’» обозначает, что данные параметры приведены к типовой мощности.

Список использованной литературы

  1. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 592 с.

Рекомендуемые записи

При расчёте режимов работы электрических сетей различные её элементы представляются в виде схем замещения. В…