З'єднання в зигзаг застосовують, щоб нерівномірне навантаження вторинних обмоток розподілити більш рівномірно між первинної мережі і навіть при нерівномірному навантаженні зберегти магнітне рівновагу.

розглянемо на двох типових прикладах.

1. Трансформатор живить трьохпровідний мережу, як показано на малюнку 1, а. вторинна обмотка II розділена на чотири рівні частини 3 , 4 , 5 і 6 . Послідовно з'єднані частини обмотки: 3 на лівому стрижні і 6 - на правому стрижні, 4 - на правому стрижні і 5 - на лівому стрижні. Таким чином, кожна половина обмотки складається з двох частин: одна з них - на лівому, а інша - на правому стрижні.

Малюнок 1. Приклади з'єднання в зигзаг однофазних трансформаторів.

Припустимо найбільш несприятливий випадок: навантажена тільки одна половина вторинної обмотки. Точками на малюнку 1, а показані початку частин обмотки, стрілками - напрямки струмів. Неважко бачити, що струм навантаження в рівній мірі впливає на обидві половини 1 і 2 первинної обмотки I. Дійсно, чверть вторинної обмотки 5 діє на половину 1 первинної обмотки так само, як чверть обмотки 4 діє на половину обмотки 2 . Тому магнітне рівновагу майже не порушується.

2. Трансформатор живить двухполуперіодний випрямляч за схемою з нульовим виводом. В цьому випадку вторинні потрібно з'єднати в зигзаг, але, щоб зрозуміти, навіщо потрібна така сполука, розглянемо малюнок 1, б.

На ньому показаний однофазний трансформатор з двома вторинними обмотками, між якими виведена середня (нульова) точка 0 . Вона є негативним полюсом випрямляча. У кожній вторинної обмотці за позитивний напрямок приймається напрямок від нульової точки до їх зовнішнім кінцях a і b, Що відповідно збігається з проводять напрямком вентилів В 1 і В 2. Напрямок струму в позитивний напівперіод показано зеленими стрілками, в негативний - жовтими. Несприятлива особливість цієї схеми полягає в тому, що по вторинних обмоток трансформатора проходить струм одного напрямку, тобто струм, що містить не тільки змінну, але і постійну складові. Постійна складова насичує муздрамтеатр, а насичення, як пояснено в статті "Поняття про магнітне рівновазі трансформатора", порушує роботу трансформатора, збільшує намагнічує струм і породжує вищі гармоніки.

Можна, однак, так з'єднати обмотки трансформатора, що і постійна, і змінна складові будуть повністю компенсуватися. Таке з'єднання показано на малюнку 1, в. Розглядаючи цей малюнок, неважко бачити, що первинна обмотка I трансформатора складається з двох частин 1 і 2 , Розташованих на різних стрижнях і з'єднаних паралельно. вторинна обмотка II з'єднана в зигзаг. В позитивний напівперіод (зелені стрілки) працює половина вторинної обмотки, причому частини 4 (Вторинна обмотка) і 2 (Первинна обмотка), розташовані на правому стрижні, взаємодіють так само, як частини 1 і 5 на лівому стрижні. В негативний напівперіод (жовті стрілки) працює друга половина вторинної обмотки: взаємодії частин 1 і 3 на лівому стрижні і 2 і 6 на правому - однакові.

З'єднання в зигзаг - зірку трифазного трансформатора

Первинні обмотки трансформаторів, вторинні в зигзаг - зірку (рисунок 2, а). Для цього вторинна обмотка кожної фази складається з двох половин: одна половина розташована на одному стрижні, інша - на іншому. Кінець, наприклад x 1, з'єднаний з кінцем (а не з початком!) y 2 і так далі. почала a 2 , b 2 і c 2 з'єднані і утворюють нейтраль. До початків a 1 , b 1 , c 1 приєднують лінійні проводи вторинної мережі. При такому з'єднанні електрорушійні сили (е. Д. С.) Обмоток, розташованих на різних стрижнях, зрушені на 120 °; е. д. з. вторинної обмотки приведена на малюнку 2, б.

Ця векторна діаграма побудована в такий спосіб. Припустимо, що з'єднані кінці x 1 , y 1 , c 1 і отримана діаграма (рисунок 2, в). Потім припущено, що з'єднані початку a 2 , b 2 , c 2. Це відповідає діаграмі на рисунку 2, г, Поверненою щодо діаграми на малюнку 2, в на 180 °. Нарешті, відповідно до схеми на малюнку 2, а вироблено геометричне складання векторів, які зображені на малюнках 1, в і г.

Малюнок 2. З'єднання в зигзаг - зірку трифазного трансформатора.
літерами a 1 , b 1 , c 1 , a 2 , b 2 , c 2 позначені початку вторинних обмоток, буквами x 1 , y 1 , z 1 , x 2 , y 2 , z 2 - їх кінці електрорушійної сили вторинних обмоток: e’ 1 , e’ 2 , e’ 3 , e’’ 1 , e’’ 2 , e'' 3, лінійні напруги E 1 , E 2 , E3

З'єднання в зигзаг - зірку дорожче з'єднання в зірку, так як вимагає більшого числа витків. Дійсно, при двох половин обмотки, розташованої на одному стрижні, їх е. д. з. складаються алгебраїчно, тобто в даному випадку подвоюються. При з'єднанні обмоток, розташованих на різних стрижнях, е. д. з. складаються геометрично під кутом 120 ° і дають е. д. з, √3 разів більше однієї з них. Отже, щоб отримати е. д. з. тієї ж величини при з'єднанні в зигзаг - зірку, потрібно на 15% більше витків, ніж при з'єднанні в зірку, так як 2 / 1,73 \u003d 1,15.

При з'єднанні в зигзаг - зірку можна отримати три напруги, наприклад 400, 230 і 133 В. Зазначені величини відносяться до холостого ходу. Під навантаженням у споживачів напруги будуть нижче, наближаючись до номінальній напрузі мережі 380, 220 і 127 В.

Має дві трифазні обмотки - вищого (ВН) та нижчої (НН) напруги, в кожну з яких входять по три фазні обмотки, або фази. Таким чином, трифазний трансформатор має шість незалежних фазних обмоток і 12 висновків з відповідними зажимами, причому початкові висновки фаз обмотки вищої напруги позначають буквами A, B, С, кінцеві висновки - X, Y, Z, а для аналогічних висновків фаз обмотки нижчої напруги застосовують такі позначення: a, b, c, x, y, z.

У більшості випадків обмотки трифазних трансформаторів з'єднують або в зірку -Y, або в трикутник - Δ (рис. 1).

Вибір схеми з'єднань залежить від умов роботи трансформатора. Наприклад, в мережах з напругою 35 кВ і більше вигідно поєднувати обмотки в зірку і заземлювати нульову точку, так як при цьому напруга проводів лінії передачі буде в √3 разів менше лінійного, що призводить до зниження вартості ізоляції.

рис.1

Освітлювальні мережі вигідно будувати на високу напругу, але лампи розжарювання з великим номінальним напругою мають малу світлову віддачу. Тому їх доцільно живити від зниженої напруги. У цих випадках обмотки трансформатора також вигідно поєднувати в зірку (Y), включаючи лампи на фазну напругу.

З іншого боку, з точки зору умов роботи самого трансформатора, одну з його обмоток доцільно включати в трикутник (Δ).

Рис. 6

Рис. 7

Схеми з'єднань Y / Y дозволяють отримати парні номери груп, при з'єднанні обмоток по схемі Y / Δ номера груп виходять непарними. Як приклад розглянемо схему, представлену на рис. 7. У цій схемі фазні ЕРС вторинної обмотки збігаються з лінійними, тому трикутник аbс повертається на 30 ° проти годинникової стрілки по відношенню до трикутника АВС. Але так як кут між лінійними напругами первинної і вторинної обмоток відраховується за годинниковою стрілкою, то група буде мати номер 11.

З дванадцяти можливих груп з'єднань обмоток трифазних трансформаторів стандартизовані дві: Y / Y - 0 і Y / Δ-11. Вони, як правило, і застосовуються на практиці.

Трифазний трансформатор має дві трифазні обмотки - вищого (ВН) та нижчої (НН) напруги, в кожну з яких входять по три фазні обмотки, або фази. Таким чином, трифазний трансформатор має 6 незалежних фазних обмоток і 12 висновків з належними зажимами, при цьому вихідні висновки фаз обмотки вищої напруги позначають знаками A, B, С, кінцеві висновки - X, Y, Z, а для подібних висновків фаз обмотки нижчої напруги використовують такі позначення: a, b, c, x, y, z.

У більшості випадків обмотки трифазних трансформаторів з'єднують або в зірку -Y, або в трикутник - Δ (рис. 1).

Вибір схеми з'єднань залежить від умов роботи трансформатора. Наприклад, в мережах з напругою 35 кВ і більше прибутково з'єднувати обмотки в зірку і заземлювати нульову точку, тому що при цьому напруга проводів лінії передачі буде в √3 разів менше лінійного, що призводить до зниження ціни ізоляції.

рис.1

Освітлювальні мережі прибутково будувати на найвище напруження, але лампи розжарювання з величезним номінальною напругою мають малу світлову віддачу. Тому їх доцільно живити від зниженої напруги. У цих випадках обмотки трансформатора також прибутково з'єднувати в зірку (Y), включаючи лампи на фазну напругу.

Фазний коефіцієнт трансформації трифазного трансформатора знаходять, як співвідношення фазних напруг при холостому ході:

n ф \u003d U фвнх / U фннх,

а лінійний коефіцієнт трансформації, що залежить від фазного коефіцієнта трансформації і типу з'єднання фазних обмоток вищої і нижчої напруги трансформатора, за формулою:

n л \u003d U лвнх / U лннх.

Якщо з'єднань фазних обмоток виконано за схемами «зірка-зірка» (Y / Y) або «трикутник-трикутник» (Δ / Δ), то обидва коефіцієнта трансформації схожі, тобто n ф \u003d n л.

При з'єднанні фаз обмоток трансформатора за схемою «зірка - трикутник» (Y / Δ) - n л \u003d n ф√3, а за схемою «трикутник-зірка» (Δ / Y) - n л \u003d n ф / √3

Група з'єднань обмоток трансформатора характеризує обопільну орієнтацію напруг первинної і вторинної обмоток.Зміна обопільною орієнтації цих напруг здійснюється відповідної перемаркировкой початків і кінців обмоток.

Стандартні позначення початків і кінців обмоток високої і низької напруги показані на рис.1.

Розглянемо спочатку вплив маркування на фазу вторинного напруги по відношенню до первинного на прикладі однофазового трансформатора (рис. 2 а).

рис.2

Обидві обмотки розміщені на одному стрижні і мають однакове напрямок намотування. Будемо вважати верхні клеми началами, а нижні - кінцями обмоток. Тоді ЕРС YO1 і E2 будуть збігатися по фазі і відповідно будуть збігатися напруга мережі U1 і напруга на навантаженні U2 (рис. 2 б). Якщо зараз у вторинній обмотці прийняти оборотну маркування затискачів (рис. 2 в), то по відношенню до навантаження ЕРС Е2 змінює фазу на 180 °. Отже, і фаза напруги U2 змінюється на 180 °.

Таким чином, в однофазних трансформаторах вірогідні дві групи з'єднань, відповідних кутах зсуву 0 і 180 °. На практиці для зручності позначення груп вживають циферблат годинника. Напруга первинної обмотки U1 зображують хвилинною стрілкою, встановленої постійно на цифрі 12, а годинна стрілка займає різні положення залежно від кута зсуву між U1 і U2. Зрушення 0 ° відповідає групі 0, а зрушення 180 ° - групі 6 (рис. 3).

рис.3

У трифазних трансформаторах можна отримати 12 різних груп з'єднань обмоток. Розглянемо кілька прикладів.

Нехай обмотки трансформатора з'єднані за схемою Y / Y (рис. 4). Обмотки, розташовані на одному стрижні, будемо мати у своєму розпорядженні одну під інший.

Затискачі А і а з'єднаємо для поєднання можливих діаграм. Задамо положення векторів напруг первинної обмотки трикутником АВС. Положення векторів напруг вторинної обмотки буде залежати від маркування затискачів. Для маркування на рис. 4а, ЕРС відповідних фаз первинної і вторинної обмоток збігаються, тому будуть збігатися лінійні і фазні напруги первинної і вторинної обмоток (рис. 4, б). Схема має групу Y / Y - О.

Рис. 4

Змінимо маркування затискачів вторинної обмотки на зворотну (рис. 5. а). При перемаркировке решт і почав вторинної обмотки фаза ЕРС змінюється на 180 °. Отже, номер групи змінюється на 6. Дана схема має групу Y / Y - б.

Схеми трифазних трансформаторів. За своєю суттю трифазний трансформатор - це зібрані на загальному сердечнику три однофазних трансформатора.

Трансформатор - «трехфазнік» має три обмотки низької і три обмотки високої напруги; разом - шість незалежних фазних обмоток. Дванадцять відповідних висновків маркуються таким чином: початку фазних обмоток високої напруги позначаються великими літерами A, B, C; кінці цих обмоток - X, Y, Z. Аналогічні висновки низьковольтних обмоток маркуються малими літерами - a, b, c і x, y, z.

Схеми трифазних трансформаторів:

Способи з'єднання обмоток трифазних трансформаторів наведені на рис. 1. Їх два - зіркою (позначається Y) і трикутником (Δ).

Рис. 1

Відповідна схема з'єднання визначається умовами роботи трансформатора. Наприклад, при використанні в мережах з величиною напруги понад 35 кВ оптимальним є поєднання обмоток «зіркою» і заземлення нульової точки. При цьому величина напруги в лінії електропередачі матиме величину, в √3 разів меншу величини лінійної напруги, що дозволяє знизити вартість ізоляції.

На високу напругу зручно будувати освітлювальні мережі. Але розраховані на велику напругу лампи розжарювання володіють зниженою світловою віддачею, і доводиться використовувати знижена напруга. І в цьому випадку також оптимальним є поєднання обмоток «зіркою» і підключення ламп до фазній напрузі.

Однак для роботи самого трифазного трансформатора доцільніше все ж включати обмотки «трикутником».

Одними з основних характеристик трифазного трансформатора є фазний і лінійний коефіцієнти трансформації. Перший з них, фазний, дорівнює відношенню високого і низького напруг холостого ходу:

n ф \u003d U фвнх / U фннх,

а другий, лінійний, залежить від фазного коефіцієнта і способу з'єднання «високої» і «низькою» обмоток трансфороматора:

n л \u003d U лвнх / U лннх.

При з'єднанні фазних обмоток однотипними способами, - Δ / Δ (трикутник-трикутник) або Y / Y (зірка-зірка) - обидва коефіцієнта дорівнюють. Якщо ж обмотки з'єднані за різними схемами (Δ / Y або Y / Δ),

n л \u003d n ф / √3.

Групи з'єднань обмоток трансформатора

Група з'єднань трансформаторних обмоток визначає взаємне орієнтування напруг високо- і низьковольтних обмоток. Зміна взаємної орієнтації напруг досягається відповідної перекомутацію решт і почав обмоток.

Розглянемо на прикладі однофазного трансформатора, як впливає маркування на фазу вторинного напруги щодо первинного (рис. 2а).

Обидві обмотки, намотані в одному напрямку, розташовуються на одному стрижні-осерді. Припустимо, що почала обмоток на верхніх клемах, а кінці - на нижніх. В цьому випадку співпадуть по фазі ЕРС E1 і E2; отже, співпадуть і фази напруг мережі U1 і навантаження U2 (рис. 2б). якщо ж змінити підключення вторинної обмотки на зворотне, ЕРС навантаження E2 змінить свою фазу на 180 о. Відповідно, на 180 о зміниться і фаза напруги U2.

Іншими словами, в однофазному трансформаторі можливі відповідні кутах зсуву 0 про і 180 про групи з'єднань.

Для зручності групи позначають, використовуючи зображення циферблата годинника. Постійно встановлена \u200b\u200bна дванадцять годин хвилинна стрілка символізує напруга на первинній обмотці; годинникова стрілка може займати різні, залежать від кута зсуву фаз між первинним і вторинним напругою, положення. Зрушення в 0 про відповідає «дванадцяти», зрушення в 180 о - «шести» (рис. 3).

Нескладно підрахувати, що шість обмоток трифазного трансформатора дозволяють отримати дванадцять груп з'єднань. Проілюструємо це деякими прикладами. Нехай, наприклад, трансформаторні обмотки, розташовані на одному стрижні одна під інший, з'єднуються за схемою Y / Y, як на рис. 4.

Щоб поєднати потенційні діаграми, з'єднаємо контакти A і a. Трикутником ABC задається положення векторів напруг первинної трансформаторної обмотки. Напрямок векторів, відповідних напруженням вторинної обмотки, буде залежати від підключення затискачів. Для наведеної на рис. 4а маркування фазность ЕРС первинної і вторинної трансформаторних обмоток збігаються. Відповідно, співпадуть фазні і лінійні напруги на первинної і вторинної обмотках (рис. 4б). Така схема має групу підключення Y / Y-0.

Якщо тепер змінити підключення вторинної обмотки на протилежне (рис. 5а), ЕРС зміниться на 180 о. Номер групи при цьому стане 6, а схема називається Y / Y-6.

Якщо зробити кругову, в порівнянні з рис. 4, перемаркировку затискачів (а → b, b → c, з → a), то фази ЕРС вторинних обмоток зрушаться на 120 о, і номер групи стане 4.

Рис. 6 мал. 7

При з'єднанні обмоток за схемою «зірка-зірка» виходять парні номери груп, якщо обмотки з'єднуються за схемою «зірка-трикутник» - непарні. Ілюструє це схема на рис. 7. На ній фазная ЕРС вторинної обмотки збігається з лінійною ЕРС, і трикутник abc повернуть на 30 про відносно трикутника ABC. Дана група має номер 11.

Груп з'єднань обмоток може бути дванадцять. Але на практиці найбільш часто застосовуються лише дві з них - Y / Δ-11 і Y / Y-0.

1. Трансформатори

однофазні трансформатори

Конструкція і принцип дії трансформатора

трансформатор - це статичний електромагнітний апарат, що перетворює електричну енергію напруги змінного струму з одними параметрами в електричну енергію з іншими параметрами (частота, напруга, фазность, форма напруги і.т.д.).
Принцип дії трансформатора заснований на законі електромагнітної індукції. Розглянемо роботу трансформатора по логічному ланцюжку на "холостому" ходу. На малюнку зображена конструкція однофазного трансформатора,

тут Ф 0 основний магнітний потік (магнітопровід призначений для спрямування і концентрації основного магнітного потоку);
Ф S1 Ф S2 потоки розсіювання основного магнітного потоку в обмотках первинної та вторинної ланцюгів. Вони залежать від зчеплення обмоток (віддаленості один від одного), від розташування їх на стрижнях, а також від контуру проходження основного потоку. Уявімо принцип дії трансформатора у вигляді логічного ланцюжка:

1 - При підключенні трансформатора до первинної ланцюга змінного струму виникає струм (за законом Ома), обернено пропорційний вхідному опору трансформатора:

2 - При протіканні струму по обмотці трансформатора, намотаною на замкнутий магнітопровід, виникає напруженість магнітного поля (H):

де F - магнитодвижущая сила, l ср - середня лінія муздрамтеатру, W 1 - число витків в первинному ланцюзі. Магнитопровод трансформатора необхідно виконувати з феромагнітного матеріалу.

3 - Під дією напруженості магнітного поля Н в муздрамтеатрі (осерді) трансформатора виникає основний магнітний потік Ф 0, Прямо пропорційний перерізу магнітопроводу (Sмаг). Магнітна індукція Вх є робочою точкою на основній кривій намагнічування і вибирається на лінійній ділянці, щоб при намагнічуванні сердечника постійним струмом муздрамтеатру не було заходу її в область насичення.

4 - При проходженні основного магнітного потоку по сердечнику в первинному ланцюзі виникає ЕРС самоіндукції, а у вторинному ланцюзі ЕРС взаємоіндукції, які визначаються згідно із законом магніторушійних сил - закону Максвелла - Фарадея:

де ЕРС - це зміна потоку зчеплення в часі.

Логічний ланцюжок роботи трансформатора під навантаженням

При підключенні навантаження у вторинному ланцюзі починає протікати струм I 2 , При цьому в серцевині виникає розмагнічує магнітний потік, протилежний у напрямку до основного. Це призводить до зменшення ЕРС в первинному ланцюзі. У електромагнітної системі порушується рівновага (), що призводить до зростання споживаного струму з мережі I 1, тобто до самобалансування системи і потік Ф 0 відновлюється:

Звідси випливає рівняння магніторушійних сил (МДС):

Де - струм ланцюга намагнічування (струм "холостого" ходу).

Рівняння ЕРС трансформатора

Розглянемо його для низькочастотного трансформатора, в якому напруга живлення змінюється за синусоїдальним законом:

При аналізі роботи однофазного трансформатора використовують зв'язок діючого значення ЕРС з конструктивними параметрами трансформатора:

де K Ф - коефіцієнт форми, для низькочастотного трансформатора маємо синусоїдальну форму напруги K Ф \u003d 1,11, для високочастотного трансформатора форма напруги - прямокутна і K Ф \u003d 1.
S маг.ак \u003d S маг. · K маг - активна площа сердечника. Під активною площею розуміється не геометричні площа перетину, чиста площа магнітного матеріалу. Для боротьби з вихровими струмами сердечник виготовляється у вигляді пластин або стрічок з лаковим покриттям. Тому коефіцієнт K маг \u003d 0,9 ... 0,98, він враховує процентний вміст магнітного матеріалу в перерізі сердечника.
При роботі трансформатора на високій частоті прямокутна форма напруги пояснюється використанням магнитомягких матеріалів, таких як ферит, альсифера, пермаллой, що володіють вузькою прямокутною петлею гістерезису.
При неправильному проектуванні трансформатора (виборі робочої точки Вх на ділянці близькому до області насичення) відбувається перегрів сердечника магнітопроводу, наприклад при зниженні частоти напруги живлення або підвищенні рівня напруги живлення.

Конструктивні особливості трансформатора

однофазні трансформатори класифікуються за типом муздрамтеатру на броньові, стрижневі і тороїдальні.

Броньові сердечники використовуються при потужності менш 150ВЧА і частота до 8 кГц, стрижневі при потужності від 150 до 800 [ВЧА] і частоті до 8 кГц, тороїдальні - при потужності 250 [ВЧА], частоті понад 8 кГц. У броньовий сердечнику трансформатора основний магнітний потік роздвоюється, що призводить до збільшення потоку розсіювання. Розташування обмоток на одному (середньому) стрижні трансформатора покращує їх зчеплення і захищає обмотки від механічних впливів і електромагнітних завад. Така конструкція має найбільшу розсіюванням основного потоку ( Ф 0), Тому використовується при малих потужностях.
У стержневом осерді трансформатора для поліпшення зчеплення обмоток первинну і вторинну обмотки розводять по двом стержнів і при намотуванні чергують пошарово. У такій конструкції потік розсіювання менше, ніж в броньовий.
Тороїдальна конструкція сердечника трансформатора має найменшим потоком розсіювання, завдяки круговому руху силової лінії основного магнітного потоку Ф 0 і гарному зчепленню обмоток (через намотування по всьому тороіде). Обмеження по потужності пов'язано з поганим охолодженням обмоток і технологічними труднощами виготовлення тороида. Поперечний переріз тороїда і стрижнів наближається до округлої формі, що дозволяє економити матеріал сердечника.
Сердечники магнітопроводів виготовляються у вигляді стрічок, пластин або пресують з феромагнітного порошку з додаванням кремнію (невеликий відсоток, так як він надає крихкість конструкції) для обмеження вихрових струмів, перпендикулярних основному потоку. Низькочастотні трансформатори виконуються з холоднокатаної (анізотропної, ізотропної) стали, а також гарячекатаної сталі.

Холоднокатана сталь володіє високою магнітною проникністю і малими питомими втратами на одиницю ваги, але є дорогим металом. У анизотропной холоднокатаної сталі напрямок прокату диктує напрямок силової лінії магнітного потоку ( Ф 0) Тому, що в перпендикулярному напрямку погіршуються магнітні властивості матеріалу. Гарячекатана сталь економічніша, але має більш високі питомі втрати і більш низьку магнітну проникність (μ д). У високочастотних трансформаторах в якості матеріалу сердечника використовують наступне: ферит, пермаллой, альсифера. Альсифера використовується для дроселів згладжуючих фільтрів, тому що є запас по намагніченості, пермаллой схильний до механічних впливів. Ферит має широкий діапазон робочих частот, тому широко використовується в імпульсних трансформаторах.
Обмотки трансформатора ізолюються одна від одної. У конструкції трансформатора вони розміщуються на каркасі і використовується міжвиткова, межслойная ізоляція (лак, волокно, х / б нитки і.т.д.). Тип ізоляції залежить від робочої температури. Провід для обмоток мають прямокутний або круглий перетин, прямокутні використовуються при підвищених токах навантаження. При проектуванні трансформаторів вводиться поняття щільності струму.

Вибір щільності струму залежать від розташування обмотки на муздрамтеатрі і типу муздрамтеатру.

Схема заміщення трансформатора

Для спрощення аналізу електромагнітних процесів в трансформаторі вводиться схема заміщення, в якій магнітна зв'язок замінюється електричної і коефіцієнт трансформації n

Коефіцієнт трансформації є і коефіцієнтом приведення вторинному ланцюзі до первинної. На малюнку показана схема заміщення трансформатора:

де введені такі позначення:

R 0 - враховує втрати в магнітопроводі (на вихрові струми і на гістерезис);

X 0 - враховує намагніченість матеріалу сердечника і залежить від марки матеріалу (в ідеальному трансформаторі Z 0);

R 1, R 2 - враховують втрати на нагрів обмоток первинної та вторинної ланцюгів;

X S1, X S2 - індуктивності розсіювання основного потоку в обмотках первинної та вторинної ланцюгів;

Для отримання співвідношення між реальними і наведеними параметрами, скористаємося рівністю повних потужностей, Активних потужностей і кутів втрат:,,.

Запишемо систему рівнянь для схеми заміщення:

Досвід холостого ходу

Умови проведення досвіду : На вхід подається номінальна напруга U 1ном, вторинна ланцюг розмикається.

вимірюваними параметрами є номінальна напруга вторинної ланцюга (U 02) і первинної ланцюга (U 01) (їх називають напругою холостого ходу), струм первинної ланцюга (I 01 - струм холостого ходу), активна потужність або втрати в магнітопроводі (P 01). Якщо встановлюємо вимірювач коефіцієнта потужності, то активна потужність розраховується зі співвідношення:

У цьому досвіді розраховуються - коефіцієнт трансформації (n) і значення процентного співвідношення струму холостого ходу до номінального струму первинної ланцюга

Це значення нормується у відсотках в залежності від галузі використання трансформатора, його потужності, частоти перетворення.

Параметри схеми заміщення поперечного плеча розраховуються за співвідношенням:

Якщо з досвіду значення струму холостого ходу вийшло більше 30%, то значить завищено вхідна напруга, або при проектуванні завищена величина магнітної індукції. Для усунення цього потрібно измененить перетин муздрамтеатру або перемотати обмотки.
У випробуванні холостого ходу схема заміщення трансформатора набирає вигляду:

Так як параметри поздовжнього плеча значно менше, ніж параметри поперечного плеча схеми заміщення і ток "холостого" ходу значно менше номінального струму первинної ланцюга, то в схемі заміщення трансформатора на "холостому" ходу нехтуємо параметрами X S1 і R 1.

Досвід короткого замикання

Досвід "короткого" замикання проводиться при зниженому напруги харчування, так як струм в обмотках трансформатора може перевищити номінальні значення при підвищенні напруги. Необхідно плавно збільшувати напругу на виході ЛАТР до досягнення номінальних струмів в ланцюгах. Вимірюваними параметрами є: номінальні струми в ланцюгах I К1, I K2, напруга короткого замикання первинного кола (U К1) і втрати в обмотках. При вимірюванні коефіцієнта потужності втрати визначаються з виразу:

Розрахунковими параметрами є процентне співвідношення напруги короткого замикання по відношенню до номінального вхідній напрузі:

Внутрішній опір трансформатора (опір поздовжнього плеча схема заміщення) визначається з досвіду "короткого" замикання:

;;

При переході до реальних параметрів трансформатора приймається рівність: і .

Схема заміщення трансформатора в досвіді "короткого" замикання наводиться у вигляді:

Зовнішня характеристика трансформатора

Під зовнішньою характеристикою розуміється залежність вихідної напруги від струму навантаження з урахуванням його характеру (активна - R, активно-ємнісний - RC, активно - індуктивна - RL). Схема заміщення трансформатора набирає вигляду:

За другим законом Кірхгофа запишемо рівняння для схеми заміщення трансформатора: U 2 \u003d U 1 - IZ k \u003d U 1 - I (jX k + R k).

Для пояснення закону зовнішніх характеристик для різних видів навантажень побудуємо векторну діаграму для фіксованого значення струму навантаження I \u003d const.

При побудові векторної діаграми приймається така умовність: за годинниковою стрілкою відставання вектора струму від вектора напруги. При індуктивному навантаженні струм відстає від напруги на кут j 1, тому вектор напруги U 1 повернуть проти годинникової стрілки по відношенню до вектора струму I; при ємнісний навантаження напруга U 1 відстає від струму I 1 на кут j 3, тому вектор напруги U 1 повернуть по годинникової стрілки по відношенню до вектора струму I.
При активному навантаженні вектор напруги U 1 повернуть проти годинникової стрілки по відношенню до вектора струму I на невеликий кут j 2 через малої величини індуктивності навантаження.
Вектор (- R k I) протилежний у напрямку до вектору струму I. Так як X k - індуктивність розсіювання трансформатора, то вектор (-jX k I) перпендикулярний по відношенню до вектора (-R k I) і має поворот проти годинникової стрілки.

Кожен з векторів U 2 (1), U 2 (2), U 2 (3) виходить в результаті підсумовування двох векторів U 1 і (- I Z k). З векторної діаграми видно, що при активній і індуктивної навантаженнях відбувається зменшення напруги у вторинному ланцюзі трансформатора зі збільшенням струму I. Якщо навантаження має ємнісний характер, то напруга збільшується. При проектуванні трансформатора необхідно враховувати характер навантаження. Наприклад, індуктивне навантаження вимагає збільшувати кількість витків у вторинній ланцюга з урахуванням зниження напруги при роботі під навантаженням. Конденсатори використовуються для компенсації реактивної складової в трансформаторах, вони включаються в трифазних трансформаторах паралельно в кожній фазі або між фазами, як показано на малюнку.

Енергетичні показники трансформатора

До енергетичними показниками трансформатора відносяться: ККД трансформатора і коефіцієнт потужності.

ККД трансформатора - це відношення активної (корисної) потужності в навантаженні до споживаної (активної) потужності трансформатора, тобто

де, P маг \u003d P ГИСТ + Р віх.токі - втрати в магнітопроводі трансформатора. Вони є постійними втратами, не залежними від струму навантаження, і включають в себе два види втрат: втрати на "гістерезис" (перемагничивание сердечника трансформатора) і втрати на "вихрові" струми (кругові струми Фуко, перпендикулярні напрямку основного магнітного потоку).
Втрати в муздрамтеатрі залежать від наступних параметрів:

P маг \u003d s 1 B x 2 f 2 G,

де s1 - коефіцієнт, що залежить від типу феромагнітного матеріалу;

G - вага муздрамтеатру (в кг);

B x - величина магнітної індукція (визначається положенням робочої точки на кривій намагнічування трансформатора).

Зі збільшенням частоти перетворення зростають магнітні втрати, тому використовують матеріали з малими питомими втратами і знижують робоче значення магнітної індукції В х.
Втрати на гістерезис визначаються площею петлі гистерезиса:

З огляду на, що Р ПРО \u003d I 2 R об - втрати в обмотках.Получім співвідношення для ККД в залежності від коефіцієнта навантаження b \u003d I 2 / I 2ном.
Втрати в муздрамтеатрі визначаються з досвіду "холостого ходу" і рівні P маг \u003d P 10. Потужність в навантаженні P 2 можна представити у вигляді

Втрати в обмотках трансформатора рівні:

де P 1К - втрати визначаються з досвіду "короткого замикання".

Таким чином вираз для ККД набирає вигляду:

ККД матиме максимальне значення при

При проектуванні трансформатора необхідно домагатися рівності втрат у муздрамтеатрі втрат в обмотках для забезпечення ефективної роботи трансформатора. При розрахунку трансформатора за критерії оптимізації вибираються: ККД, габаритні розміри, вартість і температурний режим роботи трансформатора. При P маг\u003e P про (b

Електромагнітна потужність трансформатора

Електромагнітна потужність - це полусумма електромагнітних потужностей всіх обмоток трансформатора. Так як на первинну ланцюг доводиться половина потужності, то при розрахунку електромагнітної потужності беруть або суму потужностей всіх вторинних ланцюгів, або потужність первинної ланцюга. При проектуванні трансформатора вводять поняття габаритної потужності трансформатора - це зв'язок електромагнітної потужності з параметрами трансформатора.

Для отримання виразу для габаритної потужності трансформатора, скористаємося наступними рівняннями:

рівнянням ЕРС трансформатора -

поняттям щільності струму j -

де S пр - перетин провідника обмотки трансформатора;

визначенням кількості витків через перетин вікна S ОК -

де, K ok - коефіцієнт, що враховує заповнення вікна магнітопровода обмотками, його низьке значення гарантує потрапляння обмоток в вікно при виборі сердечника K ok \u003d (0,28 .... 0,34);

Площа вікна дорівнює: S ок \u003d c * h [см 2].

Підставами (1), (2), (3) в вираз для електромагнітної потужності та отримаємо вираз для габаритної потужності:

P габ \u003d 2 К ф До маг До ок B m f j S маг S ок.

При заданій потужності трансформатора визначають типорозміри трансформатора, потім по рівнянню ЕРС розраховується кількість витків первинної і вторинної ланцюгів.

трифазні трансформатори

Це система, яка об'єднує три джерела змінного струму, ЕРС яких зрушені один щодо одного на 120 ° .Трансформірованіе трифазного струму можна здійснити трьома однофазними трансформаторами, з'єднаними в трансформаторну групу. Обмотки первинної та вторинної ланцюгів з'єднуються одним із способів: "зірка", "трикутник", "зигзаг".
На малюнку зображено часові залежності для фазних і лінійних ЕРС трифазного трансформатора.

Розглянемо спосіб з'єднання "зірка".
На малюнку зображена векторна діаграма напруг і умовне позначення схеми з'єднання обмоток трансформатора.

Точка на схемі трансформатора позначає кінець вектора ЕРС або початок обмотки. При з'єднанні зіркою лінійні (I л) і фазні струми (I ф) однакові, тому що для струму, що проходить через фазну обмотку, немає іншого шляху, крім лінійного проводу. Лінійні напруги (U л) більше фазних (U ф) в рази.

З'єднання в зірку виконується з нульовим виводом або без нього, що є гідністю схеми з'єднання

З'єднання в "трикутник":

При з'єднанні трикутником U л \u003d U ф, тому що кожні два лінійних дроти приєднані до початку і кінця однієї з фазних обмоток, а все фазні обмотки однакові. Лінійні струми I л \u003d I ф.
Потужності при з'єднаннях зіркою і трикутником визначаються виразами:

активна

реактивна

де j - кут зсуву фаз між напругою і струмом.

Група з'єднання трифазного трансформатора

При визначенні групи з'єднання обмоток трансформатора користуються циферблатом годин. Лінійний вектор обмотки вищої напруги (ВН) відповідає хвилинній стрілці циферблата годинника і встановлюється на цифру 12, годинникова стрілка відповідає лінійному вектору ЕРС обмотки низької напруги (НН) і її поворот по відношенню до обмотці ВН визначає номер групи і кут повороту a\u003d N * 30 0, де n - група.
Визначимо групу з'єднання обмоток трансформатора для з'єднання "зірка-зірка". Для побудови діаграми умовно об'єднуємо однойменні висновки обмоток первинної (с) і вторинної (С) ланцюгів трансформатора. З побудови видно, що номер групи з'єднання дорівнює n \u003d 180 ° / 30 ° \u003d 6.

Визначимо групу з'єднання обмоток трансформатора для з'єднання "зірка-трикутник". Для побудови діаграми умовно об'єднуємо однойменні висновки обмоток первинної (а) і вторинної (А) ланцюгів трансформатора. З побудови видно, що номер групи з'єднання дорівнює n \u003d j / 30 ° \u003d 30 ° / 30 ° \u003d 1.

З'єднання вторинних обмоток трансформатора в зигзаг

З'єднання зигзагом застосовують щоб навантаження вторинних обмоток розподілити більш рівномірно між фазами первинної мережі, а також для розщеплення фаз при створенні многопульсних випрямлячів і в інших випадках.
Для з'єднання зигзагом вторинна обмотка кожної фази складається з двох половин: одна половина розташована на одному стрижні, інша - на іншому. Кінець полуобмоткі, наприклад х 1 з'єднаний з кінцем y 2 і т.д. Почала полуобмоток а 2, в 2 і з 2 з'єднані і утворюють нейтраль. До початків а 1, в 1, з 1 приєднують лінійні проводи вторинної мережі. При такому з'єднанні е.р.с. обмоток, розташованих на різних стрижнях, зрушені на кут 120 0.

Вектор E 3 є сумою двох векторів e "" 3 і e "" 1. Вектор e "" 1 паралельний e "1 і протилежний за напрямком. Вектор e" 3 збігається з напрямком фази с. Кут повороту j вектора ЕРС вторинної ланцюга по відношенню до первинної залежить від співвідношення витків W 21 / W 22.

Конструкція трифазних трансформаторів

Трифазні трансформатори виготовляються у вигляді окремих однофазних трансформаторів, об'єднаних в групу при підвищеній потужності (понад 60000 кВА). Такий тип отримав назву - трансформатор з роздільним магнітною системою. Трансформатор, у якого обмотки розташовані на трьох стрижнях, називається трансформатором з об'єднаною магнітною системою.

У трехстержневом трансформаторі внаслідок магнітної несиметрії муздрамтеатру, намагнічуючі струми окремих фазних обмоток не рівні: намагнічуючі струми крайніх фаз (I ОА і I ОС) більше струму середньої фази (I ОВ).

Для зменшення магнітної несиметрії трехстержневого манітопровода, тобто зменшення магнітного опору потокам крайніх фаз, перетин ярма роблять більше.

Паралельна робота трансформаторів

Для збільшення потужності трансформатори включають паралельно. Існують умови паралельного включення трансформаторів:

1) Трансформатори повинні мати однакові значення напруги "холостого ходу" або коефіцієнти трансформації. При недотриманні цієї умови виникає зрівняльний струм (Іср), обумовлений різницею вторинних напруг DU,

де R ВН1, R ВН2 - внутрішні опору трансформатора. При цьому трансформатор з більш високим вторинною напругою "холостого ходу" виявляється перевантаженим.

2) Трансформатори повинні належати до однієї групи з'єднань. Якщо ця умова не виконується, то з'являється зрівняльний струм, обумовлений разностной ЕРС трансформатора:

3) Трансформатори повинні мати однакові значення напруги короткого замиканія.Трансформатор з меншою напругою короткого замикання перевантажується.

спеціальні трансформатори

Трансформатори напруги

Вимірювальний трансформатор напруги (ТН) застосовується при вимірах в мережах змінного струму напругою понад 220 В. ТН є понижуючий трансформатор з таким співвідношенням витків в первинній та вторинній обмотках, щоб при номінальному первинному напрузі вторинне напруга становила 100В.

ТН працює в режимі, близькому до режиму "холостого ходу", тобто I 2 \u003d 0. Клас точності приладу залежить від вибору робочої точки на петлі гистерезиса (B m \u003d 0,1 ... .0,2 Тл, I 1 \u003d I 0). Для цього збільшують кількість витків первинної ланцюга. Співвідношення витків в трансформаторі підбирається таким чином, щоб отримати у вторинному ланцюзі U \u003d 100 B. Для забезпечення надійної роботи ТН обов'язково заземлюється вторинна ланцюг і корпус трансформатора. Система рівнянь для трансформатора має вигляд:

Так як U 1 \u003d -E 1, U 2 \u003d E 2НОМ, то напруга в первічнолй обмотці визначається виразом:

Трансформатор струму

Вимірювальний трансформатор струму (ТТ) застосовується для включення амперметрів і обмоток струму ватметрів, лічильників енергії і фазометоров в ланцюгах змінного струму, найчастіше в сильно точних (з великим значенням струму).
ТТ працює в режимі, близькому до "короткого замикання". Первинна обмотка ТТ виконується з дроту великого перетину і включається в мережу послідовно (кількість витків первинної ланцюга равно1). Вторинна обмотка - багатовиткова.

Рівняння МДС має вигляд: I 1 W 1 + I 2 W 2 \u003d I 0 W 1;
Точність струму вимірювального ланцюга визначається вибором точки на петлі гистерезиса (Bm \u003d 0,1 ... 0,2Тл, I0 \u003d 0). Кількість витків у вторинній ланцюга підбирається таким чином, щоб у вторинному ланцюзі протікав струм 5 А, звідки

Даний трансформатор є небезпечним при експлуатації, так як не можна розмикати вторинну ланцюг під навантаженням. При розмиканні ланцюга відбудеться зростання втрат у муздрамтеатрі в квадратичної зависимоти (В 2), що призведе до пробою ізоляції і обслуговуючий персонал може потрапити під високу напругу.