Урок№7_18.10.2024

 Електротехніка                                 гр. 2/22                              18.10.2024

Урок№7: Трансформатори. Принцип дії та будова. Автотрансформатори

1. Призначення трансформаторів.

Однією з важливих переваг електричної енергії є зручне і просте передавання її від генератора до споживача.

 Проте воно пов'язане із значними втратами в проводах внаслідок їх нагрівання. Потужність струму, яка йде на нагрівання проводів, дорівнює , де I2 — сила струму в лінії, R — опір проводів лінії.

Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшення теплових втрат у проводах лінії передач:

1) зменшення опору проводів;

2) використання струму меншої сили.

Істотно зменшити опір проводів лінії можна лише за рахунок збільшення їх поперечного перерізу. А це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат неприйнятний. На практиці ефективне зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається зменшенням сили струму.

Нехай, наприклад, необхідно передати електроенергію потужністю 105 кВт по лінії, опір якої R = 50 Ом (такий опір має двопровідна лінія передачі з мідного дроту діаметром 1 см завдовжки приблизно 150 км), з втратами на нагрівання проводів лінії 1 % (Рвт = 103 кВт). У цьому випадку потужність має передаватися струмом силою:

       

Отже, напруга в лінії має бути :

Цей приклад показує, що для передачі великої потужності за допомогою порівняно слабких струмів напруга має бути дуже високою. Однак конструювати генератори (а також різні споживачі електричної енергії), розраховані на високі напруги, дуже складно, оскільки необхідно забезпечити добру ізоляцію обмоток, не кажучи вже про те, що широке споживання електричної енергії за такої високої напруги взагалі неприпустиме через небезпеку враження людини струмом. Тому електричні генератори будують на напругу 6—25 тисяч вольт, а потім цю напругу підвищують за допомогою трансформаторів. У місцях споживання електроенергії струм високої напруги перетворюють в струми низької напруги (110 В, 220 В, 380 В і т. д.

Електричний струм ніколи би не дістав такого широкого використання, якби його не можна було перетворювати майже без втрат енергії.

Перетворення змінного струму, за якого напруга збільшується або зменшується в кілька разів практично без втрати потужності, здійснюється за допомогою трансформаторів.

Трансформатор – пристрій для зміни величини сили струму і напруги змінного струму при незмінній частоті.

Винайшов трансформатор російський вчений П.М.Яблочков для живлення винайдених ним “електричних свічок” – нового на той час джерела світла.

2. Будова трансформатора.

У найпростішому випадку трансформатор складається з двох котушок (обмоток) , надітих на замкнуте осердя. Одна з обмоток – первинна – з’єднана з джерелом змінної напруги. Друга обмотка – вторинна – до якої приєднують навантаження, тобто прилади й пристрої, які споживають електроенергію (мал.1).

                                   

                                                                                           мал.1

Осердя набирається з тонких ізольованих листів трансформаторної сталі для боротьби із струмами Фуко.

3. Трансформатор на холостому ходу.

Режим роботи трансформатора, при якому вторинна обмотка розімкнута, називається режимом холостого ходу.

Дія трансформатора грунтується на явищі електромагнітної індукції. Під час проходження змінного струму по первинній обмотці в осерді виникає змінний магнітний потік. Магнітний потік, пронизуючи витки вторинної обмотки трансформатора, індукує в ній ЕРС. Під дією ЕРС по вторинній обмотці і через приймач енергії протікатиме струм. Отже, електрична енергія, трансформуючись, передається з первинного кола у вторинне, але з іншою напругою, на яку розрахований приймач енергії, ввімкнений у вторинне коло.Осердя з трансформаторної сталі концентрує магнітне поле, і магнітний потік існує практично тільки в самому осерді; він однаковий в усіх його перерізах.

Миттєве значення ЕРС індукції  у будь-якому витку первинної чи вторинної обмотки є однаковим. У первинній обмотці, що має n1 витків, повна ЕРСіндукції дорівнює 

 . У вторинній обмотці повна ЕРС       дорівнює 

Звичайно активний опір обмоток трансформатора малий, і ним можна знехтувати. У такому випадку модуль напруги на затискачах котушки приблизно дорівнює модулю ЕРС індукції: 

Якщо коло вторинної обмотки розімкнуте, то струму в ній немає і

                              

Таким чином, для діючих значень напруг можна записати

                  .

Коефіцієнт трансформації – величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній і вторинній обмотках трансформатора під час холостого ходу (без навантаження):

Якщо k<0, трансформатор називається підвищувальним. Підвищувальний трансформатор збільшує напругу. У ньому кількість витків n2 у вторинній обмотці має бути більшою за кількість витків у первинній обмотці, тобто n1 <n2.

Якщо k>0, трансформатор називається понижувальним. Понижувальний трансформатор зменшує напругу.

У ньому n1 >n2.

Будь-який трансформатор можна використати як підвищувальний, так і понижувальний.

4. Робота трансформатора під навантаженням.

Якщо до вторинної обмотки трансформатора приєднати споживач електроенергії, то сила струму у вторинній обмотці вже не буде дорівнювати нулю. Струм, що з’явився, створює в осерді свій змінний магнітний потік, який за правилом Ленца має зменшити зміни магнітного потоку в осерді. Це приводить до автоматичного збільшення сили струму у вторинній обмотці.

Збільшення сили струму в колі первинної обмотки відбувається згідно із законом збереження енергії. Потужність у первинному колі за навантаження трансформатора, близького до номінального, приблизно дорівнює потужності у вторинному колі

  Звідси

Це означає, що, підвищуючи за допомогою трансформатора напругу в кілька разів, ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму ( та навпаки ).

Отже, трансформатор перетворює змінний електричний струм таким чином, що добуток сили струму на напругу приблизно однаковий і первинній і вторинній обмотках.

5. ККД трансформатора.

ККД трансформатора визначається за такою формулою:                                     

У сучасних потужних трансформаторах сумарні втрати енергії не перевищують 2 – 3%, їх ККД досягає 97 – 98%.

Автотрансформатори.

Автотрансформатор – це такий трансформатор, в якому окрім магнітного зв’язку між обмотками є також електричний зв’язок.

Автотрансформатор може бути знижуючим або підвищуючим. Обмотка ах одночасно являється частиною первинної та вторинної обмоток, в цій частині обмотки протікає струм І12. Для точки а İ2 = İ1 + (+İ12), або

І12 = І2 – І1, тобто по частині обмотки ах протікає струм, який є різницею струмів І2 та І1, а це дозволяє виконати частину обмотки ах проводом залишеного перерізу.

Первинні та вторинні обмотки звичайних трансформаторів взаємодіють між собою електромагнітним шляхом. Автотрансформатори мають тільки одну обмотку, яка одночасно є первинною і вторинною рис. Ця обмотка розміщується на замкнутому магнітопроводі і тому в автотрансформаторі між умовними первинною і вторинною обмотками існує не тільки електромагнітний, а й електричний зв'язок .Принцип дії автотрансформаторів аналогічний роботі звичайних трансформаторів. Регулювання напруги в автотрансформаторах здійснюють як перемикачами, що змінюють число витків у вторинній обмотці, так і за допомогою ковзного контакту, що переміщається безпосередньо по витках обмотки. За наявності великої кількості відводів у обмотки автотрансформатора можна регулювати вторинну напругу  від нуля до напруги мережі.

зображено загальний вигляд двох типів автотрансформаторів.

Введемо поняття прохідної потужності автотрансформатору, яка є потужністю Sпр = U2I2, що передається із первинного кола автотрансформатора у вторинне. Крім того є ще розрахункова потужність Sрозр, яка є потужністю, що передається із первинного кола у вторинне лише магнітним полем.

Розрахунковою цю потужність називають тому, що розміри та вага трансформатора залежать саме від цієї потужності.

В трансформаторі вся прохідна потужність є розрахунковою, бо між обмотками трансформатора існує лише магнітний зв’язок.

Тому розрахункова потужність складає лише частину прохідної потужності, бо її друга частина передається з одного кола в друге без участі магнітного поля.

Це дає змогу при виготовленні автотрансформаторів використовувати магніто провід меншого перерізу, ніж в трансформаторі такої ж потужності.

Таким чином, автотрансформатор має ряд переваг в порівнянні з трансформатором такої ж потужності:

Зменшені витрати активних матеріалів (мідь, електротехнічна сталь);

Більш високий ККД (99,7);

Менші габарити та вартість.

Названі переваги автотрансформатора є тим більшими, чим меншою є

розрахункова частина прохідної потужності.

Зробимо висновки:

Найбільш доцільним є використання автотрансформаторів з коефіцієнтом трансформації К ≤ 2. При більшому значенні К перевершують недоліки автотрансформатора, а саме:

а) Занадто великі струми К.З. для знижуючих автотрансформаторів, бо спільна частина обмоток ах стає замкнутою і вся напруга буде підводитись лише до частини обмотки Аа, що має дуже млий опір К.З.

б) Наявність електричного зв’язку між первинно. Та вторинною обмотками.

в) Автотрансформатори не можна використовувати в якості знижуючих для живлення споживачів.

Силові автотрансформатори широко застосовують в лініях електропередачі та розподілу електроенергії для зв’язку суміжних напруг, наприклад, 110 кВ та 220 кВ, 220 кВ та 500 кВ і таке інше.

В лабораторних умовах широко розповсюджені автотрансформатори із змінним коефіцієнтом трансформації, які мають пристрій, який дозволяє змінювати вторинну напругу за рахунок зміни числа витків вторинного кола (ЛАТР), які можуть бути однофазними та трьохфазними.

В основі його будови - осердя з електротехнічної сталі. Для регулювання кількості витків вторинної обмотки у конструкції автотрансформатора присутня поворотна ручка 7, яка з'єднана зі змінною вугільною щіткою 2. При повороті ручки щітка ковзає від витка до витка уздовж обмотки 3, таким чином здійснюючи регулювання коефіцієнта трансформації.

Із ковзною щіткою безпосередньо з'єднаний один із вторинних виводів лабораторного автотрансформатора. Споживачі підключаються до вихідних клем 71АТР, а вхідні його клеми приєднують до однофазної або трифазної електромережі. В однофазному ЛАТР одне осердя і одна обмотка, а в трифазному - три осердя, і на кожному - по одній обмотці.

Недоліком усіх автотрансформаторів є наявність електричного зв'язку між вторинним і первинним ланцюгами, що обмежує можливості їх використання.

2. Трьохобмоточні трансформатори.

В 3-обмоточномиу трансформаторі на кожну трансформовану фазу припадає не дві, а три обмотки.

За номінальну потужність такого трансформатора приймають номінальну потужність найбільш завантаженої обмотки.

Струми, напруги та опори других обмоток приводять до числа витків цієї найбільш потужної обмотки.

Існують 3-обмоточні трансформатори з однією первинною та двома вторинними обмотками і, навпаки – дві первинні і одна вторинна.

Економічну доцільність застосування 3-обмоточних трансформаторів можна пояснити тим, що первинний струм є не арифметичною, а геометричною сумою вторинних струмів.

Ще одна перевага – що 3-обмоточний трансформатор фактично замінює два однообмоточних.