От чего зависят ЭДС обмоток трансформатора и каково их назначение? Принцип работы трансформатора
В 1876 г. П.И. Яблочков предложил пользоваться трансформатором для питания свечей. В дальнейшем конструкции трансформаторов разрабатывал другой русский изобретатель, механик И.Ф. Усагин, который предложил применять трансформаторы для питания не только свечей Яблочкова, но и других потребителей электрической энергии.
Трансформатор представляет собой электрический аппарат, основанный на явлении взаимоиндукции и предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же самой частоты. Простейший трансформатор имеет стальной сердечник и две обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга.
Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой, а та обмотка, к которой подключаются потребители или линии передач, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой.
Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них ЭДС.
Так как магнитный поток переменный, то индуктированная ЭДС во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке.
Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первичную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке также будут индуктироваться ЭДС.
Величины ЭДС, индуктирующихся в обмотках трансформатора, зависят от частоты переменного тока, числа витков каждой обмотки и величины магнитного потока в сердечнике. При определенной частоте и неизменном магнитном потоке величина ЭДС каждой обмотки зависит только от числа витков этой обмотки. Эту зависимость между величинами ЭДС и числами витков обмоток трансформатора можно выразить формулой: ?1 / ?2 = N1 / N2, где?1 и?2 – ЭДС первичной и вторичной обмоток, N1 и N2 – числа витков первичной и вторичной обмоток.
Разница между ЭДС и напряжением так мала, что зависимость между напряжениями и числами витков обеих обмоток можно выразить формулой: U1 / U2 = = N1 /N2. Разница между ЭДС и напряжением в первичной обмотке трансформатора становится особенно малой тогда, когда вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю (холостая работа), а в первичной обмотке протекает только небольшой ток, называемый током холостого хода. При этом напряжение на зажимах вторичной обмотки равно наводимой в ней ЭДС.
Число, показывающее, во сколько раз напряжение в первичной обмотке больше (или меньше) напряжения во вторичной обмотке, называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой k. k = U1 / U2 ? N1 / N2.
Номинальное напряжение обмоток высшего и низшего напряжений, указанное на заводском щитке трансформатора, относится к режиму холостого хода.
Трансформаторы, которые служат для повышения напряжения, называют повышающими; коэффициент трансформации у них меньше единицы. Понижающие трансформаторы понижают напряжение; коэффициент трансформации у них больше единицы.
Режим, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение, называется холостым ходом или холостой работой трансформатора.
Вопрос 7 . Эдс обмоток трансформатора.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции (взаимоиндукции). Взаимная индукция состоит в наведении ЭДС в индуктивной катушке при изменении тока другой катушке.
Под воздействием переменного тока в первичной обмотке в магнитопроводе создается переменный магнитный поток
который пронизывает первичную и вторичную обмотки и индуктирует в них ЭДС
где – амплитудные значения ЭДС.
Действующее значение ЭДС в обмотках равны
;
.
Отношение ЭДС обмоток называется коэффициентом трансформации
Если , то вторичная ЭДС меньше первичной и трансформатор называется понижающим, при– трансформатор повышающий.
Вопрос 8 . Векторная диаграмма холостого хода идеального трансформатора.
Так как мы рассматриваем идеальный трансформатор, т.е. без рассеяния и потерь мощности, то ток х.х. является чисто намагничивающим – , т.е. он создаёт намагничивающую силу, которая создаёт поток, где– магнитное сопротивление сердечника, состоящее из сопротивления стали и сопротивления в стыках сердечника. Как амплитуда, так и форма кривой тока зависят от степени насыщения магнитной системы. Если поток изменяется синусоидально, то при ненасыщенной стали кривая тока холостого хода практически тоже синусоидальна. Но при насыщении стали кривая тока всё более отличается от синусоиды (рис. 2.7.) Кривую тока х.х. можно разложить на гармоники. Так как кривая симметрична относительно оси абсцисс, то ряд содержит гармонические только нечётного порядка. Первая гармоника токаi ( 01) совпадает по фазе с основным потоком. Из высших гармоник сильнее всего выражена третья гармоника тока i ( 03) .
Рис 2.7 Кривая тока Х.Х
Действующее значение тока холостого хода:
.
(2.22)
Здесь I 1 m , I 3 m , I 5 m – амплитуды первой, третьей и пятой гармоник тока холостого хода.
Так как ток холостого хода отстаёт от напряжения на 90 , то активная мощность, потребляемая идеальным трансформатором из сети, тоже равна нулю, т.е. идеальный трансформатор потребляет из сети чисто реактивную мощность и намагничивающий ток.
Векторная диаграмма идеального трансформатора представлена на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Векторная диаграмма идеального трансформатора
Вопрос 9 Векторная диаграмма холостого хода реального трансформатора.
В реальном трансформаторе существуют рассеяние, и потери в стали и в меди. Эти потери покрываются за счёт мощности Р 0 , поступающей в трансформатор из сети.
где I 0а – действующее значение активной составляющей тока холостого хода.
Следовательно, ток холостого хода реального трансформатора имеет две оставляющие: намагничивающую – , создающую основной потокФ и совпадающую с ним по фазе, и активную:
Векторная диаграмма реального трансформатора представлена на рис. 2.9.
Обычно , поэтому на величину тока холостого хода эта составляющая влияет мало, а больше влияет на форму кривой тока и его фазу. Кривая тока холостого хода явно несинусоидальна, и сдвинута во времени относительно кривой потока на угол, называемый углом магнитного запаздывания
При замене действительной кривой тока холостого хода эквивалентной синусоидой, можно написать уравнение напряжений в комплексной форме, где все величины изменяются синусоидально:
Учитывая, что ЭДС рассеяния,
Рис. 2.9. Векторная диаграмма реального трансформатора
Рис. 2.11. Векторная диаграмма напряжений трансформатора, режим холостого хода
Возьмем катушку с ферромагнитным сердечником и вынесем отдельным элементом омическое сопротивление обмотки как это показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником
При подаче переменного напряжения e c в катушке, cогласно закону электромагнитной индукции, возникает ЭДС самоиндукции е L .
(1)
где ψ
— потокосцепление,
W
— число витков в обмотке,
Ф
— основной магнитный поток.
Потоком рассеяния пренебрегаем. Приложенное к катушке напряжение и наведённая ЭДС уравновешиваются. По второму закону Кирхгофа для входной цепи можно записать:
е c + е L = i × R обм, (2)где R обм — активное сопротивление обмотки.
Поскольку е L >> i × R обм, то падением напряжения на омическом сопротивлении пренебрегаем, тогда е c ≈ −e L . Если напряжение сети гармоническое, е с = E m cosωt , то:
(3)
Найдем из этой формулы магнитный поток. Для этого перенесем количество витков в обмотке в левую часть, а магнитный поток Ф в правую:
(4)
Теперь возьмем неопределённый интеграл от правой и левой частей:
(5)Так как магнитопровод считаем линейным, то в цепи протекает только гармонический ток и нет постоянного магнита или постоянной составляющей магнитного потока, то постоянная интегрирования с = 0 . Тогда дробь перед синусом является амплитудой магнитного потока
(6)откуда выразим амплитуду входной ЭДС
E m = Ф m × W × ω (7)Его действующее значение равно
(8) (9)Выражение (9) называют основной формулой трансформаторной ЭДС , которая справедлива только для гармонического напряжения. При негармоническом напряжении её видоизменяют и вводят так называемый коэффициент формы, равный отношению действующего значения к среднему:
(10)
Найдем коэффициент формы для гармонического сигнала, при этом среднее значение находим на интервале от 0 до π/2
(11)
Тогда коэффициент формы равен 
и основная формула трансформаторной ЭДС принимает окончательный вид:
Если сигнал является последовательностью прямоугольных импульсов одинаковой длительности (меандр), то амплитудное, действующее и среднее значения за половину периода равны между собой и его k ф = 1 . Можно найти коэффициент формы и для других сигналов. Основная формула трансформаторной ЭДС будет справедлива.
Построим векторную диаграмму катушки с ферромагнитным сердечником. При синусоидальном напряжении на зажимах катушки её магнитный поток тоже синусоидальный и отстаёт по фазе от напряжения на угол π/2 как показано на рисунке 2.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции (взаимоиндукции). Взаимная индукция состоит в наведении ЭДС в индуктивной катушке при изменении тока другой катушке.
Под воздействием переменного тока в первичной обмотке в магнитопроводе создается переменный магнитный поток
который пронизывает первичную и вторичную обмотки и индуктирует в них ЭДС
где – амплитудные значения ЭДС.
Действующее значение ЭДС в обмотках равны
;
.
Отношение ЭДС обмоток называется коэффициентом трансформации
Если , то вторичная ЭДС меньше первичной и трансформатор называется понижающим, при– трансформатор повышающий.
Вопрос 8 . Векторная диаграмма холостого хода идеального трансформатора.
Так как мы рассматриваем идеальный трансформатор, т.е. без рассеяния и потерь мощности, то ток х.х. является чисто намагничивающим – , т.е. он создаёт намагничивающую силу, которая создаёт поток, где– магнитное сопротивление сердечника, состоящее из сопротивления стали и сопротивления в стыках сердечника. Как амплитуда, так и форма кривой тока зависят от степени насыщения магнитной системы. Если поток изменяется синусоидально, то при ненасыщенной стали кривая тока холостого хода практически тоже синусоидальна. Но при насыщении стали кривая тока всё более отличается от синусоиды (рис. 2.7.) Кривую тока х.х. можно разложить на гармоники. Так как кривая симметрична относительно оси абсцисс, то ряд содержит гармонические только нечётного порядка. Первая гармоника токаi ( 01) совпадает по фазе с основным потоком. Из высших гармоник сильнее всего выражена третья гармоника тока i ( 03) .
Рис 2.7 Кривая тока Х.Х
Действующее значение тока холостого хода:
.
(2.22)
Здесь I 1 m , I 3 m , I 5 m – амплитуды первой, третьей и пятой гармоник тока холостого хода.
Так как ток холостого хода отстаёт от напряжения на 90 , то активная мощность, потребляемая идеальным трансформатором из сети, тоже равна нулю, т.е. идеальный трансформатор потребляет из сети чисто реактивную мощность и намагничивающий ток.
Векторная диаграмма идеального трансформатора представлена на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Векторная диаграмма идеального трансформатора
Вопрос 9 Векторная диаграмма холостого хода реального трансформатора.
В реальном трансформаторе существуют рассеяние, и потери в стали и в меди. Эти потери покрываются за счёт мощности Р 0 , поступающей в трансформатор из сети.
где I 0а – действующее значение активной составляющей тока холостого хода.
Следовательно, ток холостого хода реального трансформатора имеет две оставляющие: намагничивающую – , создающую основной потокФ и совпадающую с ним по фазе, и активную:
Векторная диаграмма реального трансформатора представлена на рис. 2.9.
Обычно , поэтому на величину тока холостого хода эта составляющая влияет мало, а больше влияет на форму кривой тока и его фазу. Кривая тока холостого хода явно несинусоидальна, и сдвинута во времени относительно кривой потока на угол, называемый углом магнитного запаздывания
При замене действительной кривой тока холостого хода эквивалентной синусоидой, можно написать уравнение напряжений в комплексной форме, где все величины изменяются синусоидально:
Учитывая, что ЭДС рассеяния,
Рис. 2.9. Векторная диаграмма реального трансформатора
Рис. 2.11. Векторная диаграмма напряжений трансформатора, режим холостого хода
E1=4,44fw1Фm.....U1= -E1+r1*I1+X1*I1...
U1 – комплекс напряжения на первичной обмотке;
Е1 – комплекс ЭДС первичной обмотки;
I1 – комплекс тока первичной обмотки;
r1 – резистивное сопротивление первичной обмотки;
X1 – индуктивное сопротивление рассеивания первичной обмотки.
ЭДС,наводимые в первичной обмотке трансформатора,уравнения напряжения для первичной обмотки трансформатора.
E1=4,44fw2Фm.....U1= E2+r2*I2+X2*I2...
U2 – комплекс напряжения на вторичной обмотке;
Е2 – комплекс ЭДС вторичной обмотки;
I2 – комплекс тока вторичной обмотки;
r2 – резистивное сопротивление вторичной обмотки;
X2 – индуктивное сопротивление рассеивания вторичной обмотки.
6.Опыт холостого хода, параметры орпеделяемые при опыте. Опыт холостого хода (рис. 11.4, а) используют для определения коэффициента трансформации. При этом обмотку низшего напряжения подключают к устройству (потенциал - регулятор), позволяющему в широких пределах изменять напряжение, подводимое к трансформатору, а обмотку высшего напряжения размыкают. С целью определения коэффициента трансформации к обмотке низшего напряжения достаточно подвести напряжение 0,1 UH для трансформаторов малой мощности и (0,33...0,5) UH для трансформаторов большой мощности. Падение напряжения в первичной обмотке весьма мало. С допустимой точностью можно принять, что E1 = U1 и Е2 = U2, так как ток во вторичной обмотке практически равен нулю. Из опыта холостого хода трансформатора определяют также зависимости тока холостого хода Ix, потребляемой мощности Рх и коэффициента мощности cosφ от значения подводимого напряжения U1, при разомкнутой вторичной обмотке, то есть при I2 = 0. Ток холостого хода силовых трансформаторов составляет от 10 (для маломощных трансформаторов) до 2% (для мощных трансформаторов) номинального. При снятии характеристик холостого хода подводимое напряжение изменяют в пределах от 0,6 до 1,2 UH таким образом, чтобы получить 6...7 показаний. На рисунке 11.4,6 дан примерный вид характеристик холостого хода. Мощность холостого хода характеризует электрическую энергию, расходуемую в самом трансформаторе, так как со вторичной обмотки энергию при этом не потребляют. Энергия в трансформаторе расходуется на нагрев обмоток проходящим по ним током и нагрев стали сердечника (вихревые токи и гистерезис). Потери на нагрев обмоток (потери в обмотках) при холостом ходе ничтожно малы. Практически можно считать, что все потери холостого хода сосредоточены в стали сердечника и идут на его нагрев.
7.Опыт короткого замыкания трансформатора,параметры опр при опыте. Опыт короткого замыкания проводят по схеме, изображенной на рисунке 11.5, а. К обмотке низшего напряжения подводят напряжение, при котором в обмотке высшего напряжения, замкнутой накоротко, протекает номинальный ток. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания еk%;его значение приводят в паспорте трансформатора в процентах номинального. Так как в этом опыте из-за малого напряжения, подведенного к обмотке низшего напряжения, магнитный поток в сердечнике весьма незначителен и сердечник не нагревается, то считают, что вся потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания мощность затрачивается на электрические потери в проводниках обмоток. Характеристики короткого замыкания (рис. 11.5,6) представляют собой зависимости потребляемого тока Ik мощности Pk и коэффициента мощности cosφ, от подведенного напряжения при замкнутой вторичной обмотке.
10. Схемы соеджинения обмоток 3-х фазных трансформторов. коэффициент исполльзования. Обмотки трехфазных трансформаторов соединяют звездой (Y) или треугольником (D). Обычно первичные обмотки соединяют в звезду, а вторичные - в треугольник или и те и другие обмотки соединяют в звезду.Трехфазный трансформатор имеет две трехфазные обмотки - высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения, в каждую из которых входят по три фазные обмотки, или фазы. Таким образом, трехфазный трансформатор имеет шесть независимых фазных обмоток и 12 выводов с соответствующими зажимами, причем начальные выводы фаз обмотки высшего напряжения обозначают буквами A, B, С, конечные выводы - X, Y, Z, а для аналогичных выводов фаз обмотки низшего напряжения применяют такие обозначения: a,b,c,x,y,z......В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяют либо в звезду -Y, либо в треугольник - Δ ...Фазный коэффициент трансформации трехфазного трансформатора находят, как соотношение фазных напряжений при холостом ходе: nф = Uфвнх / Uфннх.... линейный коэффициент трансформации , зависящий от фазного коэффициента трансформации и типа соединения фазных обмоток высшего и низшего напряжений трансформатора, по формуле: nл = Uлвнх / Uлннх.
11.Группы соединения обмоток 3-х фазных трансформаторов. с какой целью определяют. Группа соединений обмоток трансформатора характеризует взаимную ориентацию напряжений первичной и вторичной обмоток
12.Условия включения трансформаторов на паралельную работу. при условии, что ни одна из обмоток не будет нагружена током, превышающим допустимый ток для данной обмотки.....Параллельная работа трансформаторов разрешается при следующих условиях: группы соединения обмоток одинаковы, соотношение мощностей трансформаторов не более 1:3, коэффициенты трансформации отличаются не более чем на ±0,5%, напряжения короткого замыкания отличаются не более чем на ±10%, произведена фазировка трансформаторов.
14.Автотрансформатор. Главное отличие автотрансформатора от обычного трансформатора состоит в том, что две его обмотки обязательно имеют между собой электрическую связь, они наматываются на одном стержне, мощность передается между обмотками комбинированным способом - путем электромагнитной индукции и электрического соединения. Это снижает габариты и стоимость машины..
15. Принцип действия асинхронного двигателя.устройство статора асинхронной машины. На обмотку статора подается переменное напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создает вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться.............Неподвижная часть машины называется статор.Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину.На внутренней поверхности листов из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия.
16.Устройство асинхронной машины с к.з. ротором, конструкция основных сборочных узлов. состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. Сердечники ротора и статора имеют зубчатую структуру. В машинах малой и средней мощности обмотку обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора.
17 .Устройство асинхронной машины с фазным ротором, конструкция основных сборочных узлов. Фазный ротор имеет трёхфазную (в общем случае - многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведенную на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью графитовых или металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора: включают пускорегулирующий реостат , выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы. Снижая пусковой ток, добиваются увеличения пускового момента до максимального значения (в первый момент времени). Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке или требующих плавного регулирования скорости.включают индуктивности (дроссели) в каждую фазу ротора . Сопротивление дросселей зависит от частоты протекающего тока, а, как известно, в роторе в первый момент пуска частота токов скольжения наибольшая. По мере раскрутки ротора частота индуцированных токов снижается, и вместе с нею снижается сопротивление дросселя. Индуктивное сопротивление в цепи фазного ротора позволяет автоматизировать процедуру запуска двигателя, а при необходимости - «подхватить» двигатель, у которого упали обороты из-за перегрузки. Индуктивность держит токи ротора на постоянном уровне.включают источник постоянного тока , получая таким образом синхронную машину.включают питание от инвертора , что позволяет управлять оборотами и моментными характеристиками двигателя. Это особый режим работы (машина двойного питания). Возможно включение напряжения сети без инвертора, с фазировкой, противоположной той, которой запитан статор.
18.Аналогия между асинхронной машиной и трансформатаром. Эдс наводимые в обмотках статора в режиме хх. В асинхронном двигателе роль вторичной обмотки трансформатора играет роторная обмотка, а статорная является первичной обмоткой.....Необходимо здесь, однако, обратить внимание на следующее существенное различие между асинхронным двигателем и трансформатором.....У трансформатора, как известно, обе обмотки - первичная и вторичная, неподвижны, в то время как в асинхронном двигателе мы имеем только первичную (статорную) обмотку неподвижной, вторичная же (роторная) обмотка асинхронного двигателя является подвижной; благодаря этому частота токов, текущих во вторичной цепи (роторе) асинхронного двигателя, представляет собой переменную величину, чего, как известно, не наблюдается в трансформаторах.
20. Потери и КПД асинхронного двигателя.П отери делятся на механические, магнитные и электрические . Механические потери в асинхронном двигателе обусловлены трением в подшипниках и трением вращающихся частей о воздух. Добавочные потери вызваны наличием в двигателе полей рассеяния и пульсацией поля в зубцах ротора и статора. Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя η = Р2/ Р1 = 1 - ∑р/ Р1.
21. Принцип работы 3-х фазного асинхронного двигателя. При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует эдс), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов. Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора. Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.
Похожая информация.
