🗊Презентация Трансформаторы. Лекция 9

Лекция № 9 Трансформаторы Энергетические показатели однофазного трансформатора Трехфазные трансформаторы Асинхронный двигатель Основные элементы конструкции

Коэффициент полезного действия (КПД) Энергетическая диаграмма. При работе в трансформаторе возникают потери энергии. Коэффициентом полезного действия трансформатора (КПД) называют отношение отдаваемой мощности P2 к мощности P1, поступающей в первичную обмотку: или ,где ∆Р — суммарные потери в трансформаторе. Высокие значения КПД трансформаторов не позволяют определять его с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей Р1 и Р2, поэтому его вычисляют косвенным методом по значению потерь мощности. Процесс преобразования энергии в трансформаторе характеризует энергическая диаграмма. При передаче энергии из первичной обмотки во вторичную возникают электрические потери мощности в активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток ∆Рэл1 и ∆Рэл2, а также магнитные потери в стали магнитопровода ∆Рм. (от вихревых токов и гистерезиса). Поэтому Р2 = Р1 – ∆Рэл1 – ∆Рэл2 – ∆Рм, и формулу можно представить в виде

Энергетическая диаграмма трансформатора

Определение потерь мощности Величину Рэм = Р1 – ∆Рэл1 – ∆Рм, поступающую во вторичную обмотку, называют внутренней электромагнитной мощностью трансформатора. Она определяет габаритные размеры и массу трансформатора. Согласно требованиям ГОСТа потери мощности в трансформаторе определяют по данным опытов холостого и короткого замыкания. Получаемый при этом результат имеет высокую точность, так как при указанных опытах трансформатор не отдает мощность нагрузке. Следовательно, вся мощность, поступающая в первичную обмотку, расходуется на компенсацию имеющихся в нем потерь.

При опыте холостого хода ток I10 невелик и электрическими потерями мощности в первичной обмотке можно пренебречь. В тоже время магнитный поток практически равен потоку при нагрузке, так как его величина определяется приложенным к трансформатору напряжением. Магнитные потери в стали пропорциональны квадрату значения магнитного потока. Следовательно, с достаточной точностью можно считать, что магнитные потери в стали магнитопровода равны мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе и номинальном первичном напряжении, т.е. При опыте холостого хода ток I10 невелик и электрическими потерями мощности в первичной обмотке можно пренебречь. В тоже время магнитный поток практически равен потоку при нагрузке, так как его величина определяется приложенным к трансформатору напряжением. Магнитные потери в стали пропорциональны квадрату значения магнитного потока. Следовательно, с достаточной точностью можно считать, что магнитные потери в стали магнитопровода равны мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе и номинальном первичном напряжении, т.е. ∆Pм ≈ P10. Для определения суммарных электрических потерь, т.к. I10 ≈ 0, полагают, что I′2 = I1. При этом или где — суммарные электрические потери при номинальной нагрузке, β = I2 / I2н — коэффициент нагрузки трансформатора.

Величину можно с достаточной степенью точности принять равной мощности Pк, потребляемой трансформатором при опыте короткого замыкания, который проводится при номинальном токе нагрузки. При этом магнитные потери в стали ∆Рм весьма малы по сравнению с потерями ∆Рэл из-за сильного уменьшения напряжения U1, а следовательно, и магнитного потока трансформатора и ими можно пренебречь. Таким образом, Величину можно с достаточной степенью точности принять равной мощности Pк, потребляемой трансформатором при опыте короткого замыкания, который проводится при номинальном токе нагрузки. При этом магнитные потери в стали ∆Рм весьма малы по сравнению с потерями ∆Рэл из-за сильного уменьшения напряжения U1, а следовательно, и магнитного потока трансформатора и ими можно пренебречь. Таким образом, ∆Рэл = β2 Pк,полные потери ∆Р = Р10 + β2 Pк. Подставляя полученные значения P в и учитывая, что Р2 = U2 I2 сosφ2 ≈ β Sном сosφ2, находим Эта формула рекомендуется ГОСТом для определения КПД трансформатора. Значения Р10 и Рк для силовых трансформаторов приведены в соответствующих стандартах и каталогах.

Зависимость КПД от нагрузки

При β = 0 полезная мощность и КПД равны нулю. С увеличением отдаваемой мощности КПД увеличивается, так как в энергетическом балансе уменьшается удельное значение магнитных потерь в стали, имеющих постоянное значение. При некотором значении βопт кривая КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с увеличением нагрузки. Причиной этого является сильное увеличение электрических потерь в обмотках, возрастающих пропорционально квадрату тока, т.е. пропорционально β2, в то время как полезная мощность Р2 возрастает только пропорционально β. При β = 0 полезная мощность и КПД равны нулю. С увеличением отдаваемой мощности КПД увеличивается, так как в энергетическом балансе уменьшается удельное значение магнитных потерь в стали, имеющих постоянное значение. При некотором значении βопт кривая КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с увеличением нагрузки. Причиной этого является сильное увеличение электрических потерь в обмотках, возрастающих пропорционально квадрату тока, т.е. пропорционально β2, в то время как полезная мощность Р2 возрастает только пропорционально β.

Максимальное значение КПД в трансформаторах большой мощности достигает весьма высоких пределов (0,98…0,99). Оптимальный коэффициент нагрузки βопт, при котором КПД имеет максимальное значение, можно определить, взяв первую производную dη/dβ по формуле и приравняв ее нулю. При этом Максимальное значение КПД в трансформаторах большой мощности достигает весьма высоких пределов (0,98…0,99). Оптимальный коэффициент нагрузки βопт, при котором КПД имеет максимальное значение, можно определить, взяв первую производную dη/dβ по формуле и приравняв ее нулю. При этом β2опт Рк = Р10 или ∆Рэл = ∆Рм.. Следовательно, КПД имеет максимум при такой нагрузке, при которой электрические потери в обмотках равны магнитным потерям в стали. Это условие (равенство постоянных и переменных потерь) приближенно справедливо и для других типов электрических машин. Для серийных силовых трансформаторов

Указанные значения βопт получены при проектировании трансформатора на минимум приведенных затрат (на их приобретение и эксплуатацию). Наиболее вероятная нагрузка трансформаторов соответствует β = 0,5…0,7. Указанные значения βопт получены при проектировании трансформатора на минимум приведенных затрат (на их приобретение и эксплуатацию). Наиболее вероятная нагрузка трансформаторов соответствует β = 0,5…0,7. В трансформаторах максимум КПД выражен сравнительно слабо, т.е. он сохраняет высокое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки (0,4 < β < 1,5). При уменьшении сosφ2 КПД снижается, так как возрастают токи I2 и I1, при которых трансформатор имеет заданную мощность P2. В трансформаторах малой мощности в связи с относительным увеличением потерь КПД существенно меньше, чем в трансформаторах большой мощности. Его значение составляет 0,6…0,8 для трансформаторов, мощность которых менее 50 Вт; при мощности 100…500 Вт КПД равен 0,90…0,92.

Трехфазные трансформаторы Трехфазный ток обычно преобразуют с помощью трехстержневых трехфазных трансформаторов, в которых первичная и вторичная обмотки каждой фазы расположены на общем стержне. На каждом из трех стержней, набранных из листов электротехнической стали и объединенных сверху и снизу ярмом, расположены первичная и вторичная обмотки одной фазы. Начальные выводы обмотки высшего напряжения, обозначаются буквами A, B, C (или C1, C2, и C3), конечные выводы — буквами X, Y, Z (или C4, C5, C6). Для начальных выводов обмоток низшего напряжения применяется обозначения малыми буквами: a, b, c, для конечных выводов – x, y, z.

Магнитные потоки трех фаз Ф1, Ф2, Ф3 сдвинуты друг относительно друга по времени на одну треть периода или по фазе на 120о. Поэтому мгновенное значение их суммы равны нулю. В этом случае магнитный поток в любом из стержней в каждый момент времени равен алгебраической сумме потоков двух других стержней. При симметричном питающем напряжении и равномерной нагрузке (являющейся наиболее распространенной) все фазы трехфазного трансформатора находятся практически в одинаковых условиях. Поэтому выведенные выше формулы и схемы замещения для однофазного трансформатора справедливы и для трехфазного трансформатора. Магнитные потоки трех фаз Ф1, Ф2, Ф3 сдвинуты друг относительно друга по времени на одну треть периода или по фазе на 120о. Поэтому мгновенное значение их суммы равны нулю. В этом случае магнитный поток в любом из стержней в каждый момент времени равен алгебраической сумме потоков двух других стержней. При симметричном питающем напряжении и равномерной нагрузке (являющейся наиболее распространенной) все фазы трехфазного трансформатора находятся практически в одинаковых условиях. Поэтому выведенные выше формулы и схемы замещения для однофазного трансформатора справедливы и для трехфазного трансформатора.

Схема трехфазного трансформатора

Схемы соединения обмоток Первичная и вторичная обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены по схемам: звезда (символ Υ или Υ0 при выведенной нейтральной (нулевой) точке) или треугольник (символ ∆). Таким образом, могут быть соединения Y/Y, Y/∆, ∆/∆, ∆/Y. Существуют и другие более сложные соединения, например, соединения типа «зигзаг». Кроме указания на способ соединения обмоток, на щитке трансформаторов обычно указывается и условное обозначение группы соединений трансформаторов, например, Y/Y  12 и Y/∆  11. Обычно обмотку высшего напряжения соединяют по схеме «звезда», что позволяет при заданном линейном напряжении иметь меньшее число витков в фазе. Для получения схемы звезда концы фазных обмоток (ХYZ, xyz) соединяют в общую точку (рис. а), а для получения схемы треугольник конец обмотки одной фазы соединяют с началом следующей и так далее в замкнутый контур (ay, bz, cx) (рис. б).

Схемы соединений обмоток трехфазных трансформаторов

Схемы соединений обмоток трехфазного трансформатора: (а) схема Y / Y, б) схема Y / Δ

Соединение обмоток трансформатора обозначают в технической документации Y/Y, Δ/Δ, Y/Δ, Δ/Y, при этом в числителе указывается способ соединения фаз высокого напряжения (ВН), в знаменателе — соединение фаз низкого напряжения (НН). Если от обмотки трехфазного трансформатора, соединенной в звезду, выводится нулевой провод, то такое соединение обозначают Y0. Соединение обмоток трансформатора обозначают в технической документации Y/Y, Δ/Δ, Y/Δ, Δ/Y, при этом в числителе указывается способ соединения фаз высокого напряжения (ВН), в знаменателе — соединение фаз низкого напряжения (НН). Если от обмотки трехфазного трансформатора, соединенной в звезду, выводится нулевой провод, то такое соединение обозначают Y0. При соединении фаз обмотки «звездой» Uф = Uл / ; Iф = Iл. При соединении фаз обмотки «треугольником» Uф = Uл; Iл = Iф. Коэффициент трансформации трансформатора n = W1 / W2 = E1 / E2 ≈ U1 / U2.

Трехфазные трансформаторы характеризуются двумя коэффициентами трансформации: Трехфазные трансформаторы характеризуются двумя коэффициентами трансформации: а) фазным — равным отношению числа витковWВН фазы обмотки BH к числу витков Wнн фазы обмотки HH или же отношению фазных напряжений этих обмоток в режиме холостого хода: nф = Wвн / Wнн = Uф.вн / Uф.нн, б) линейным — равным отношению линейного напряжения обмотки ВН к линейному напряжению обмотки НН в режиме холостого хода: nл = Uл.вн / Uл.нн. Следует иметь в виду, что отношение линейных напряжений Uл1 и Uл2 трехфазного трансформатора зависит не только от чисел витков первичной и вторичной обмоток W1 и W2, но и от способов их соединений: при Y/Y, Δ/Δ Uл1 / Uл2 = W1 / W2; при Y/Δ Uл1 / Uл2 = W1 / W2; при Δ/Y Uл1 / Uл2 = W1 / W2 . Поэтому можно изменять величину вторичного линейного напряжения соответствующим изменением схем соединения его обмоток.

В зависимости от сдвига фаз между линейными первичными и вторичными напряжениями трансформаторы разделяются на группы соединений, причем каждую группу составляют трансформаторы с одинаковым сдвигом по фазе между указанными напряжениями. В зависимости от сдвига фаз между линейными первичными и вторичными напряжениями трансформаторы разделяются на группы соединений, причем каждую группу составляют трансформаторы с одинаковым сдвигом по фазе между указанными напряжениями. Для обозначения группы соединений обмоток трехфазного трансформатора выбирается ряд чисел от 1 до 12, причем здесь условно принято, что единица соответствует 30°, по аналогии с углами между минутной и часовой стрелками часов при 1, 2, ..., 12 час. При определении группы соединений с вектором напряжения обмотки высшего напряжения нужно совместить минутную стрелку, а с вектором напряжения обмотки низшего напряжения — часовую стрелку. Отсчет угла производится от минутной стрелки к часовой стрелке по направлению их вращения. Современные трансформаторы выпускаются с соединением фаз обмоток Y/Y − 0 и Y/∆ − 11. Над знаком дроби указывается способ соединения фаз обмотки высшего напряжения, под знаком дроби − способ соединения фаз обмотки низшего напряжения, цифра указывает на группу соединения обмоток трансформатора. Номинальная мощность трехфазного трансформатора: Sном = U1ном I1ном ≈ U2ном I2ном/

Трехфазный асинхронный двигатель Асинхронный двигатель – индукционная машина переменного тока в которой электрическая энергия от неподвижного статора к вращающемуся ротору передается магнитным полем.

Устройство трехфазного асинхронного двигателя Асинхронный двигатель (АД) состоит из неподвижной части — статора и подвижной — ротора. Сердечник статора (2) набирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком, и запрессовывается в литую станину (1). Станина выполняется из немагнитного материала: чугуна или алюминия. На внутренней поверхности сердечника в пазы укладывается трехфазная статорная обмотка (3) из изолированного медного провода.

Статор асинхронного двигателя Обмотка состоит из трех частей, называемых фазами. Начало фаз обозначается С1, С2, С3, концы — С4, С5, С6 . Начала и концы фаз выведены на клеммник 4 , закрепленный на станине. Статорная обмотка может быть соединена по схеме «треугольник» (рис.  а) или по схеме «звезда» (см. рис. б).

Схемы соединения фаз статорной обмотки

Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трехфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трехфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 380/220, Y/Δ. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл=380В по схеме «звезда» или в сеть с Uл=220В — по схеме «треугольник»

Сердечник ротора набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами). Сердечник ротора набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).

Ротор асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой

Короткозамкнутая обмотка (рис. б) ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает «беличье колесо» и называют ее типа «беличьей клетки» (рис. а). Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счет этого такие двигатели обладают высокой надежностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов. Короткозамкнутая обмотка (рис. б) ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает «беличье колесо» и называют ее типа «беличьей клетки» (рис. а). Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счет этого такие двигатели обладают высокой надежностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов. У фазного ротора обмотка выполняется трехфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закрепленными на валу ротора. Через щетки в цепь ротора включаются добавочные сопротивления для улучшения пусковых и регулировочных свойств асинхронного двигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя При подключении обмотки статора к источнику трехфазного напряжения в сердечнике статора возникает магнитное поле, вращающееся со скоростью , об/мин, где f1 — частота тока питающей сети, Гц; p — число пар полюсов вращающегося магнитного поля. Число пар полюсов определяется устройством фаз статорной обмотки. Вращающееся магнитное поле наводит в обмотке ротора Э.Д.С., под действием которой в замкнутой обмотке ротора возникает ток. На обмотку ротора с током начинают действовать силы, образующие вращающий электромагнитный момент М, и ротор начинает вращаться в сторону вращения магнитного поля.

Величина вращающего момента определяется выражением Величина вращающего момента определяется выражением , Н·м, где Р — номинальная мощность на валу двигателя, кВт; n — частота вращения ротора двигателя, об/мин. Э.Д.С., а, следовательно, и электромагнитный момент М возникают только в том случае, если частота вращения ротора n будет отличаться от частоты вращения магнитного поля n0. Разница скоростей Δn = n0 – n называется скольжением асинхронного двигателя. Скольжение выражается в относительных единицах или в процентах: ; . В зависимости от соотношения n и n0 асинхронная машина может работать в одном из трех режимов. При n < n0 — режим двигателя. При n > n0 асинхронная машина работает в генераторном режиме. Электромагнитный момент М меняет направление и становится тормозным по отношению к силам, вращающим ротор с n > n0. При n = –n0 электромагнитный момент также меняет знак и асинхронная машина переходит в режим электромагнитного тормоза по отношению к внешним силам, вращающим ротор в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля.