Главная страница
Финансы
Экономика
Математика
Информатика
Начальные классы
Биология
Медицина
Вычислительная техника
Сельское хозяйство
Ветеринария
Дошкольное образование
Логика
Этика
Религия
Философия
История
Воспитательная работа
Социология
Политология
Физика
Языки
Языкознание
Право
Юриспруденция
Русский язык и литература
Строительство
Промышленность
Энергетика
Электротехника
Автоматика
Связь
Другое
образование
Доп
Физкультура
Технология
Классному руководителю
Химия
Геология
Иностранные языки
Искусство
Культура
Логопедия
География
Экология
ИЗО, МХК
Казахский язык и лит
Директору, завучу
Школьному психологу
Языки народов РФ
Социальному педагогу
Обществознание
ОБЖ
Механика
Музыка
Украинский язык
Астрономия
Психология

Трансформаторы1. Трансформаторы. Общее устройство однофазного двухобмоточного трансформатора


Скачать 263.5 Kb.
НазваниеТрансформаторы. Общее устройство однофазного двухобмоточного трансформатора
АнкорТрансформаторы1.doc
Дата30.09.2017
Размер263.5 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файлаТрансформаторы1.doc
ТипДокументы
#5098


ТРАНСФОРМАТОРЫ.

1. Общее устройство однофазного двухобмоточного трансформатора.

Устройство:

1) Магнитопровод (сердечник) из отдельных листов эл/техн стали

1. Стержень – часть магнитопровода с обмотками.

2. Ярмочасть магнитопровода, соединяющая стержни.

2) Две обмотки
Конструкции:

1) Стержневыестержня = Фярма)

2) Броневыестержня = 2Фярма)
2. Э/м процессы в цепи переменного тока с активным сопротивлением.

[Схема цепи.]

Пусть , тогда



[Графики i(t), u(t), p(t).]
3. Э/м процессы в цепи переменного тока с идеальной катушкой без ф/м сердечника.

[Схема цепи.]



Пусть , тогда


4. Э/м процессы в цепи переменного тока с реальной катушкой без ф/м сердечника.

[Схема цепи.]







[Треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей.]
5. Э/м процессы в цепи переменного тока с идеальной катушкой с ф/м сердечником.

[Схема цепи.]



[Петля гистерезиса Ф(i).]

Пусть , тогда



Выводы:

1) Если напряжение, приложенное к зажимам катушки с ф/м сердечником, изменяется по синусоидальному закону, то магнитный поток также изменяется по синусоидальному закону, причём будет отставать от напряжения на /2.

2) Магнитный поток Ф однозначно определяется величиной приложенного напряжения: .


При наличии ф/м сердечника катушка становится нелинейным элементом. [Построение по заданным Ф(i) и Ф(t)=Фmsin t несинусоидальной функции i(t).] Для упрощения анализа цепи реальный несинусоидальный ток заменяют эквивалентным в энергетическом отношении синусоидальным. Этот ток i(t) сдвинут относительно Ф(t) на некоторый угол . [Векторная диаграмма с величинами I, Iр, Iа,Ф, U, E, , .]
Магнитные потери в сердечнике: Pм = Pв + Pг;

Потери на вихревых токах: Pв = f (f2, B2);

Потери на гистерезисе: Pг = f (f, B2).
6. Схема замещения и векторная диаграмма идеальной катушки индуктивности с ф/м сердечником.

[Векторная диаграмма. Схемы замещения с элементами r, x и rm, xm.]



[Треугольники сопротивлений и проводимостей.]


7. Схема замещения и векторная диаграмма реальной катушки индуктивности с ф/м сердечником.

[Схема цепи r  0. Приведение к цепи с идеальной катушкой (r = 0) и элементами r и x. Векторная диаграмма.]


8. Принцип действия однофазного двухобмоточного трансформатора.

В первичной обмотке переменное напряжение создаёт ток i1, магнитный поток Ф1, которое замыкается по магнитопроводу и пронизывает обе обмотки, и магнитный поток рассеивания Ф1, который замыкается по воздуху и связан только с первичной обмоткой. Поток Ф1 создаёт в первичной и вторичной обмотках соответственно ЭДС самоиндукции 1 и ЭДС взаимной индукции 2. ЭДС 2 порождает ток во вторичной обмотке i2, который создаёт в свою очередь магнитное поле в магнитопроводе Ф2 и магнитный поток рассеивания Ф2.

Магнитное поле в магнитопроводе Ф – результирующая магнитных полей Ф1 и Ф2.
9. Уравнения электрического и магнитного состояния.

[Схема трансформатора.]







1) Уравнения электрического состояния:


Закон полного тока:



1. Идеальный трансформатор (r1 = r2 = Ф1 = Ф2 = 0)

2. Магнитные свойства стали одинаковы вдоль и поперёк прокатки.

3. Значение магнитной индукции в любом поперечном сечении магнитопровода одинаково (H = const).

4. ℓ - средняя магнитная силовая линия.



При ХХ трансформатора (i2 = 0) :



Так как в идеальном трансформаторе магнитное поле однозначно определяется первичным напряжением u1, то H = H0.

Уравнение токов:



2) Уравнение магнитного состояния:


10. Векторная диаграмма трансформатора.

1) Уравнения электрического состояния:



2) Уравнение магнитного состояния:



[Активно-индуктивная ВД. Активно-ёмкостная ВД.]
11. Схема замещения трансформатора.

Приведение трансформатора:

1. Число витков:



2. МДС:



3. Мощность, принимаемая от магнитного поля:

4. Мощность, передаваемая нагрузке:



5. Мощность, выделяющаяся на активном сопротивлении:



6. Мощность, выделяющаяся на реактивном сопротивлении:



7. Сдвиг фаз:


[Переход от схемы трансформатора к Т-образной схеме замещения.]
12. Трансформация трёхфазных токов (конструкции магнитопроводов, схемы соединения обмоток).

Конструкции трансформаторов:

1) Групповой (состоит из трёх однофазных трансформаторов; малые габариты и вес)

2) Трёхмерная конструкция (редко применяется)

3) Стержневой (магнитная несимметрия)

4) Бронестержневой (магнитная симметрия)

5) Броневой трёхфазный (зарубежное производство)
Схемы соединения обмоток:

1) Звезда с нейтральным проводом (Yn)

2) Треугольник ()

3) Зигзагообразная (Z) – для питания выпрямительных устройств.

[Схемы. Соотношение фазных и линейных величин. Векторные диаграммы.]
13. Схемы и группы соединения трансформаторов.

Угол между линейными первичным и вторичным напряжениями, который зависит от:

1. Направление намотки обмоток

2. Способы обозначения зажимов обмоток (A, X, a, x)

3. Схема соединения обмоток

Часовой способ изображения угла:

Номер группы соединения – время, на которое указывает часовая стрелка, совмещенная с ЭДС низшего напряжения, когда минутная стрелка совмещена с ЭДС высшего напряжения и указывает 0 минут.
[3 случая относительного расположения векторов ЭДС E1 и E2 у однофазных трансформаторов.]

Вывод: В однофазных трансформаторах ЭДС первичной и вторичной обмоток сдвинуты на угол 0 или 180.  Группы соединения 0 и 6.

В трёхфазных трансформаторах напряжение высшего и низшего напряжения могут быть сдвинуты на угол кратный 30.  Возможные группы соединения 0, 1, 2, 3, ...
[Все варианты групп схем соединения Y/Y и Y/..]

Выводы: Для Y/Y получаются все чётные группы соединения, а для Y/ - нечётные.
ГОСТовские схемы: Y/Yn – 0, Yn/ – 11 (дополнительно /Yn – 11, Y/Z – 11).
14. Нелинейность характеристики намагничивания и её влияние на э/м процессы в трансформаторе (групповой трансформатор: схемы соединения - /Y, Y/; трёхфазный стержневой трансформатор: схемы соединения – Y/Y, Y/Yn, Y/, Yn/).

[Разложение кривой i10(t) на гармоники.]



В симметричной системе несинусоидальных величин во всех фазах величины изменяются одинаково, но сдвинуты во времени на треть фазы, то есть гармоники образуют систему прямой, обратной или нулевой последовательности:



1. k = 6n+1 (1, 7, 13, 19, ...): прямая последовательность

2. k = 6n–1 (5, 11, 17, ...): обратная последовательность

3. k = 6n+3 (3, 9, 15, ...): нулевая последовательность
Нелинейность характеристики намагничивания Ф(i10) зависит от:

1) Схемы соединения обмоток

1. Y: (фазные токи нулевой последовательности отсутствуют)

2. Yn: (фазные токи нулевой последовательности присутствуют)

3. : (линейные токи нулевой последовательности отсутствуют)

2) Конструкции магнитопровода

1. Групповой (все гармоники потока замыкаются по одному и тому же пути, что и сам

поток Ф, так как каждая фаза имеет собственную магнитную систему)

2. Бронестержневой (боковые стержни играют роль нейтральных проводов, то есть по ним замыкаются потоки Ф(0) нулевой последовательности)

3. Стержневой (потоки нулевой последовательности Ф(0) выходят за пределы магнитопровода – увеличиваются магнитные потери)
15. Несимметричные режимы работы трёхфазных трансформаторов. Условия анализа несимметричных режимов работы трансформаторов.

1) При неравенстве токов в фазных обмотках трансформатора происходит:

1. Искажение линейного и фазного напряжений

2. Рост потерь в стали и обмотках

3. Местные превышения температуры
2) Причины несимметричности:

1. Несимметричная нагрузка

2. «Несимметричный» трансформатор

3. Несимметричная система напряжений
3) Условия анализа несимметричных режимов работы:

1. Сеть, питающая трансформатор, обладает бесконечной мощностью, то есть система линейных первичных напряжений остаётся симметричной независимо от режима работы трансформатора.

2. Вторичная обмотка трансформатора приведена к первичной.

3. Ток холостого хода отсутствует ().

4. Э/м процессы в трансформаторе описываются линейной системой уравнений (прямая, обратная, нулевая последовательности).
16. Трансформация несимметричных токов (соединение вторичной обмотки в Yn: Yn/Yn, /Yn, Y/Yn; соединение вторичной обмотки в : Yn/).

Из курса ТОЭ:



Из условия анализа трансформации несимметричных токов:



1) Соединение вторичной обмотки по схеме Yn



1. Yn/Yn:

2. /Yn:

3. Y/Yn:
17. Магнитные поля и ЭДС при несимметричной нагрузке.

При несимметричной нагрузке приближенно:



Потоки прямой и обратной последовательности образуют симметричные системы (по их определению), и они могут свободно замыкаться по любому магнитопроводу, не выходя за его пределы.



Потоки нулевой последовательности не образуют симметричную систему потоков, поэтому они замыкаются по воздуху (в стержневом), по боковым стержням (в бронестержневом) и по магнитопроводу (в групповом). Из-за большого магнитного сопротивления в стержневом трансформаторе эти потоки малы:



Эти потоки особенно большие, когда токи нулевой последовательности во вторичной обмотке не уравновешиваются с токами в первичной обмотке.

Изменяющиеся гармонически потоки индуцируют в фазах первичной обмотки ЭДС взаимной индукции:


18. Искажение симметрии первичных и вторичных Uф при несимметричной нагрузке (схемы соединений /Yn, Y/, Y/Yn).

Матричная запись электрического состояния для трёхфазного трансформатора:



Отсюда,

Система уравнений для вторичной обмотки:


1) /Yn:



Несимметричность нагрузки практически не влияет на симметричность системы вторичных фазных напряжений.

2) Y/:



Системы фазных и линейных первичных напряжений одновременно либо симметричны, либо несимметричны.

3) Y/Yn:

Пусть трансформатор симметричен (zA = zB = zC = z1)





[Вывод.]



Наличие токов нулевой последовательности приводит к смещению центра тяжести Y на величину ЭДС нулевой последовательности. Наименьшее искажение в стержневых трансформаторах, так как в них потоки нулевой последовательности малы.



При разрыве на входе ([схема замещения с разрывом]):



Падение напряжения от тока прямой последовательности не приводит к искажению звезды (системы фазных вторичных напряжений), а лишь поворачивает её, не нарушая её углов. Падения напряжения от токов обратной и (особенно) нулевой последовательности искажают звезду. Поэтому, соединение Y/Yn применяют только в стержневых трансформаторах с ограничением на величину токов нулевой последовательности.
19. Опыты ХХ и КЗ трансформатора.

Выполняются для определения параметров трансформатора.

1) Опыт холостого хода:

[Схема. Эквивалентная схема замещения. Уравнения электрического состояния.]

Относительный ток холостого хода:



2) Опыт короткого замыкания:

Режим КЗ аварийный, но U плавно увеличивают от нуля до (5...15) % от U, а ток в первичной обмотке должен быть равен номинальному.

[Схема. Эквивалентная схема замещения. Уравнения электрического состояния. Упрощенная схема замещения (без магнитной цепи). Треугольники сопротивлений, напряжений и мощностей короткого замыкания.]



Относительное напряжение короткого замыкания:




20. Эксплуатационные характеристики трансформатора при нагрузке (внешние характеристики, КПД трансформатора, зависимость падения напряжения во вторичной обмотке трансформатора от характера нагрузки).

1) Внешняя характеристика U2 = f(I2).

[Упрощенная схема замещения. График U2, U = f(I2). Векторная диаграмма.]
2) Внешняя характеристика u = f(2).



[Геометрическое определение U2´ по векторной диаграмме. ]



Коэффициент нагрузки:



[График u = f(2).]
3) Зависимость  = f ().







[График  = f ().]
21. Параллельное включение трёхфазных трансформаторов.

Когда мощность нагрузки больше мощности одного трансформатора, можно включить параллельно несколько трансформаторов при соблюдении условий:

1) При невыполнении этого условия между цепями вторичных обмоток протекают уравнительные токи:



2) Активное и реактивное напряжения КЗ:



3) Безусловное условие: обмотки трансформаторов должны быть соединены в одинаковые группы.
При k1  k2 ... трансформатор меньшей мощности должен иметь больший коэффициент k.
22. Переходные процессы в трансформаторе при включении трансформатора в сеть.

Э/м явления после включения в сеть при холостом ходе описываются дифференциальными уравнениями:



Решение:



Если 1 =  /2, то в момент Ф(T/2)  2Фm  i10, i1 ↑↑
23. Переходные процессы в трансформаторе при КЗ выводов вторичной обмотки.

Пусть до КЗ был ХХ, , тогда схема замещения упрощается.

[Упрощенная схема замещения.]

Дифференциальное уравнение, описывающее переходный процесс:



Решение:



Если 1 = , то iк(T/2)  2Iкm.
Скачки тока в силовых трансформаторах достигают 1525 крат. Так как первичная и вторичная обмотка располагаются концентрично, то их токи взаимодействуют между собой с силой F

I1∙ I2. Возникает 225625-кратный скачок силы, который, если токи текут в противоположных направлениях, стремится сжать внутренние витки и растянуть наружные и, если токи текут в одном направлении, сжать обмотки по высоте. Кроме того, во столько же раз увеличиваются электрические потери, из-за которых может возникнуть перегрев.
24. Переходные процессы в трансформаторе при перенапряжениях.

Причины возникновения перенапряжения:

1. Явления атмосферного характера (удары молний в ЛЭП и т.д.)

Uф = (7...12)Uфном

2. Коммутационное перенапряжение (КЗ, отключение больших нагрузок)

Uф = (2...5)Uфном

Характер процессов зависит от формы э/м волны перенапряжения: апериодические (сложные, простые) и периодические волны.

[3 графика u(t) разряда.]
Волна перенапряжения имеет большую частоту, поэтому xC ↓↓, а C ↑↑. Поэтому между витками обмотки и между витками и сердечником появляются ёмкости соответственно Cd, Cq. Распределение напряжения по виткам становится неравномерным.

[Схема замещения обмотки A-x.]

Э/м процессы описываются нелинейными ДУ высокого порядка, но при упрощении:



[Графики ux/um(x) при  = 5, 10.]
Меры защиты от перенапряжения:

1. Выбор трассы ЛЭП

2. Усиление изоляции входных и выходных витков обмотки

3. Ёмкостная защита в виде полей, эл/статических экранов.
25. Многообмоточные трансформаторы.

Широко применяются в радиотехнике.

Распространена схема: одна первичная и несколько вторичных обмоток (первичная располагается между вторичными). По ГОСТу многообмоточные силовые трансформаторы выполняют на одну номинальную мощность.

[Схема многообмоточного трансформатора. Схема замещения.]

Уравнения магнитного и электрического состояния:



При изменении нагрузки в одной из вторичных обмоток изменяется напряжение на обоих обмотках (взаимное влияние вторичных обмоток).

По ГОСТу: Yn/Yn/-0-11 и Yn//-11-11.
26. Автотрансформатор.

Автотрансформатор – трансформатор, у которого часть обмотки принадлежит первичной и вторичной системам, то есть кроме магнитной связи присутствует и электрическая.

Бывают однофазными и трёхфазными, повышающими и понижающими.

[Схема понижающего однофазного автотрансформатора.]



Различают 3 вида мощностей:

1. Проходная



2. Расчётная (или типовая), которая передаётся посредством магнитного поля и определяет вес и габариты автотрансформатора



3. Электрическая, которая передаётся посредством электрической связи




/.../



[Графики Sрасч/Sпр(k) и Sэл/Sпр(k).]
Достоинство: малый вес и габариты (доля мощности приходится на электрическую связь)

Недостатки:

1. При КЗ вторичной обмотки в первичной обмотке протекает большой ток.

2. При КЗ части обмотки A-a нагрузка подвергается высокому напряжению, такому же как и высоковольтная хорошо изолированная от земли обмотка AX.

Применение мощных силовых автотрансформаторов:

1. Для связи ЛЭП 110, 220, 330 и 500 кВ.

2. Для пуска асинхронных и синхронных двигателей большой мощности, для которых требуется большой толчок тока.
27. Измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Служат для подключения измерительных приборов к высоковольтным силовым цепям. Кроме того, измерительные трансформаторы позволяют расширить пределы измерения.

1) [Схема понижающего измерительного трансформатора напряжения с заземлением вторичной обмотки.]

Этот трансформатор работает практически на ХХ.

Относительная погрешность измерения (при номинальном напряжении равна классу трансформатора):



Угловая погрешность u: [на векторной диаграмме между U1 и -U2]
2) [Схема повышающего измерительного трансформатора тока с заземлением вторичной обмотки.]

Первичная обмотка – шина или провод, проходящий через окно магнитопровода.

Относительная погрешность измерения (при номинальном токе равна классу трансформатора):



Угловая погрешность i: [на векторной диаграмме между I1 и -I2]
Способы понижения погрешности:

1. Сопротивления обмоток минимальны

2. Магнитопровод таков, что исключается насыщение магнитной цепи

3. Не подключается более одного измерительного прибора
28. Трансформаторы для питания вентильных преобразователей.

Особенность цепей с вентилями – неодновременная загрузка фаз, связанная с поочерёдным отпиранием/запиранием вентилей.

Неблагоприятные последствия:

1. Наличие в первичных и вторичных токах значительных высших гармоник

2. Дополнительное намагничивание при некоторых схемах выпрямления
1) [Трёхфазная схема выпрямления со средней точкой (трансформатор Y/Yn). u, id, ida(t).]

Ud = 1,17∙U2ф

В этой схеме нарушается равновесие МДС в фазах первичной и вторичной обмоток, расположенных на общем стержне магнитопровода, что приводит к дополнительному подмагничиванию магнитной системы.

Законы Кирхгофа для магнитной и электрической цепей в момент времени, когда открыт вентиль фазы a (ia = id; ib = ic = 0):



Решение:



Отсюда, в каждом стержне действует нескомпенсированная МДС , которая создаёт дополнительный поток вынужденного подмагничивания в каждой фазе.

Для исключения насыщения магнитной системы необходимо увеличить поперечную площадь магнитопровода  возрастают весогабаритные показатели.

Схему применяют для преобразования небольшой мощности (станок и т.д.).
2) [Трёхфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова). u, id, ida(t).]

Две группы вентилей – с общим анодом (ОА) и с общим катодом (ОК).

В любой момент времени пропускают ток только два вентиля (один с ОА, другой с ОК). В группе с ОК пропускает тот вентиль, потенциал анода у которого выше, а в группе с ОА – у которого потенциал катода ниже.

Ud = 2,34∙U

Так как в каждой фазе за период ток протекает дважды, то потока вынужденного подмагничивания в сердечнике нет.
написать администратору сайта