Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Электрические параметры трансформаторов

Содержание

Введение................................................................................................................................. 2

1. Основные термины и определения......................................................................................... 3

2. Классификация трансформаторов............................................................................................5

3. Основные элементы конструкции трансформаторов............................................................ 7

3.1. Сердечники магнитопроводов трансформаторов........................................................7

3.2. Катушки трансформаторов...........................................................................................11

3.3. Защита трансформаторов от внешних воздействий..................................................12

4. Принцип работы трансформатора..........................................................................................14

5. Потери в трансформаторах.................................................................................................... 14

6. Режимы работы трансформатора...........................................................................................16

6.1. Режим холостого хода..........................................................................................................16

6.2. Режим работы под нагрузкой.......................................................................................17

6.3. Режим короткого замыкания........................................................................................18

7. Электрические параметры трансформаторов.......................................................................18

7.1. Электрические параметры трансформаторов питания..............................................18

7.2. Электрические параметры согласующих трансформаторов.....................................17

7.3. Электрические параметры импульсных трансформаторов......................................19

8. Обозначения трансформаторов..............................................................................................20

9. Отказы трансформаторов........................................................................................................21

Список литературы..............................................................................................................23

Приложение

Введение

Изобретателем трансформатора является русский ученый П.Н. Яблочков, который в 1876 году использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Этот трансформатор имел незамкнутый магнитопровод. С изобретением трансформатора повысился интерес к переменному току, который до этого времени не применялся.

Выдающийся русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский в 1889 году предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый трехфазный трансформатор.

В дальнейшем происходит быстрый рост промышленности и транспорта. К трансформаторам предъявляют более высокие требования в отношении повышения их экономичности и уменьшения веса и габаритов. Проводится большая работа по изучению электромагнитных и тепловых процессов, происходящих при работе трансформатора; изысканию новых изоляционных материалов и улучшению свойств электротехнической стали.

В настоящее время при разработке ЭВС используют электромагнитные устройства, и в первую очередь трансформаторы различных типов. В большинстве случаев используемые трансформаторы во многом определяют такие технические характеристики ЭВС как надежность, устойчивую работу и некоторые другие. Поэтому к их изготовлению и выбору магнитопроводов, обмоточных проводов и материалов для них предъявляются специальные жесткие технические требования, позволяющие обеспечить надежную эксплуатацию. Материалы, из которых изготавливают магнитопроводы и сердечники для трансформаторов, должны обладать высокой магнитной проницаемостью в сильных электрических полях, имеющих переменные значения; малыми потерями на вихревые токи и перемагничивание; высокой технологичностью при изготовлении; невысокой стоимостью /1/.

1. Основные термины и определения

При изготовлении трансформаторов промышленного и бытового назначения РЭА применяют стандартизованные термины и определения, обязательные для применения в документации всех видов, научно-технической и справочной литературе. Приведенные ниже термины и их определения соответствуют государственным стандартам /2, 3, 4, 5/.

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько систем переменного тока.

Силовой трансформатор - трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии.

Трансформатор малой мощности - трансформатор с выходной мощностью 4 кВА и ниже для однофазных, 5 кВА и ниже для трехфазных.

Различают электромагнитную, полезную, полную, расчетную и типовую мощности трансформатора /6/.

Электромагнитная мощность трансформатора - мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную электромагнитным путем.

Полезная или отдаваемая мощность трансформатора - произведение действующих значений напряжения вторичной обмотки на величину протекающего по ней тока (тока нагрузки).

Полная потребляемая мощность трансформатора – произведение действующих значений напряжения на зажимах первичной обмотки на величину тока, потребляемого трансформатором из сети. Величина мощности, потребляемая трансформатором из сети, больше мощности, отдаваемой нагрузке, за счет потерь энергии в магнитопроводе и обмотках.

Расчетная (номинальная) мощность трансформатора - произведение действующих значений токов, протекающих по вторичным обмоткам, на величину напряжений на их зажимах. Эта мощность характеризует собой габаритные размеры трансформатора. В том случае, когда трансформатор работает на чисто активную нагрузку, отдаваемая им мощность равна расчетной мощности вторичной обмотки.

Типовая или габаритная мощность трансформатора - мощность, определяющая размеры трансформатора.

Трансформатор питания электронной аппаратуры – трансформатор малой мощности, предназначенный для преобразования напряжения электрических сетей в напряжения, необходимые для питания электронной аппаратуры.

Сетевой трансформатор питания - трансформатор питания электронной аппаратуры, предназначенный для работы от сети переменного тока.

Трансформатор общего назначения - силовой трансформатор, предназначенный для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, или для непосредственного питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы.

Понижающий трансформатор - трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения.

Повышающий трансформатор - трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка низшего напряжения.

Высокопотенциальный трансформатор питания электронной аппаратуры - трансформатор питания электронной аппаратуры, имеющий хотя бы в одной из точек его электрической цепи максимальный потенциал, превышающий 1500 В амплитудного значения.

Однофазный трансформатор - трансформатор, в магнитной системе которого создается однофазное магнитное поле.

Трехфазный трансформатор - трансформатор, в магнитной системе которого создается трехфазное магнитное поле.

Двухобмоточный трансформатор - трансформатор, имеющий две основные гальванически не связанные обмотки.

Многообмоточный трансформатор - трансформатор, имеющий более двух основных гальванически не связанных обмоток.

Регулируемый трансформатор - трансформатор, допускающий регулирование напряжения одной или более обмоток с помощью специальных устройств, встроенных в конструкцию трансформатора.

Сигнальный трансформатор - трансформатор малой мощности, предназначенный для передачи, преобразования, запоминания электрических сигналов.

Автотрансформатор - трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны так, что имеют общую часть.

Герметичный трансформатор - трансформатор, выполненный так, что исключается возможность сообщения между внутренним пространством его бака и окружающей средой.

Согласующий сигнальный трансформатор - сигнальный трансформатор, предназначенный для согласования различных полных сопротивлений электрических цепей при преобразовании и передаче электрических сигналов.

Импульсный сигнальный трансформатор - сигнальный трансформатор, предназначенный для передачи, формирования, преобразования и запоминания импульсных сигналов.

Входной согласующий сигнальный трансформатор – согласующий сигнальный трансформатор для согласования внутреннего полного электрического сопротивления источника сигнала с полным входным сопротивлением функционального узла электронной аппаратуры.

Выходной согласующий сигнальный трансформатор – согласующий сигнальный трансформатор для согласования выходного полного электрического сопротивления каскада электронной аппаратуры с полным сопротивлением нагрузки.

Коэффициент полезного действия (КПД) - отношение полезной активной мощности, отдаваемой в нагрузку, к полной активной мощности, потребляемой трансформатором из сети /6/.

2. Классификация трансформаторов

При разработке ЭВС наибольшее распространение получили малогабаритные трансформаторы малой мощности с выходной мощностью до 4 кВА.

Трансформаторы классифицируют по различным признакам /7/.

По функциональному назначению трансформаторы подразделяются на:

1. трансформаторы питания;

2. согласующие трансформаторы;

3. импульсные трансформаторы.

Трансформаторы питания предназначены для преобразования электрической энергии с максимальным коэффициентом полезного действия.

Трансформаторы согласования предназначены для передачи переменных электрических сигналов, несущих информацию с изменением уровня напряжений или токов или с гальванической развязкой цепей при минимальном искажении сигнала и потерь мощности в необходимом диапазоне частот. Трансформаторы согласования должны согласовывать сопротивление нагрузки с сопротивлением источников мощности в заданном диапазоне частот. Они должны иметь незначительные частотные искажения в определенной области частот и в них должны отсутствовать или быть в допустимых пределах нелинейные искажения. Трансформаторы согласования с целью уменьшения искажений работают при малых мощностях, их перегрев незначителен. Из-за значительных габаритов и массы трансформаторы согласования редко используются в ЭВС с интегральными схемами, они широко используются в бытовой ЭВС.

Импульсные трансформаторы предназначены для передачи коротких импульсов напряжения, обычно прямоугольной формы и работают в широком диапазоне частот. К ним предъявляются жесткие требования к индуктивности обмоток, особенно первичной, индуктивности рассеяния, собственной емкости обмоток, то есть к тем реактивностям, которые влияют на форму импульса. Импульсные трансформаторы широко применяются в аппаратуре для радиолокации, телевидения и импульсной радиосвязи. Они должны возможно меньше искажать форму трансформируемых сигналов напряжения.

Трансформаторы питания делятся на три группы:

маломощные с выходной мощностью менее 1 кВт и выходным напряжением не более 1000 В;
мощные с выходной мощностью более 1 кВт;
высоковольтные с выходным напряжением более 1000 В.

Конструкция трансформатора существенно зависит от частоты.

По рабочей частоте трансформаторы делятся на:

1. трансформаторы промышленной частоты 50 Гц;

2. трансформаторы повышенной промышленной частоты 400, 1000 Гц;

3. трансформаторы статические до 200 кГц.

По количеству обмоток трансформаторы делят на:

1. однообмоточные;

2. двухобмоточные;

3. многообмоточные.

Однообмоточные трансформаторы называются автотрансформаторами, гальванической развязки между входной и выходной цепью у них нет. Двухобмоточный трансформатор имеет одну первичную и одну вторичную обмотки. У многообмоточного трансформатора несколько вторичных обмоток.

Существует также классификация трансформаторов по конструктивному исполнению, то есть по исполнению магнитопровода и сердечника.

3. Основные элементы конструкции трансформаторов

Из принципа действия трансформатора следует, что он должен содержать магнитопровод и катушку. Как законченный конструктивно-технологический узел он должен включать ряд дополнительных элементов конструкции /8/:

механические элементы, обеспечивающие взаимное механическое крепление катушки и сердечника;
механические элементы для установки трансформатора в ЭВС;
элементы для электрического подключения в схему (выводы);
элементы защиты.

Рассмотрим отдельно каждый элемент конструкции трансформатора и технологию их изготовления.

3.1. Сердечники магнитопроводов трансформаторов.

Основой конструкции трансформатора является сердечник магнитопровода (далее будем называть магнитопровод) c высокой магнитной проницаемостью и малым уровнем потерь, изготовленный из стальной ленты, пластин, а также из феррита. Магнитопровод состоит из вертикальных частей - нескольких стержней и горизонтальных частей - ярма, представляющих вместе замкнутую систему для прохождения магнитных силовых линий. Вид и тип магнитопровода выбирается в зависимости от назначения трансформатора, рабочей частоты, условий эксплуатации.

По конструктивному выполнению магнитопроводы делятся на три основных типа: стержневые, броневые, тороидальные (рис. 1, приложение) /6/.

Рис.1. Типы магнитопроводоа

У броневого магнитопровода центральный стержень в два раза шире крайних. Обмотки броневого трансформатора располагаются на среднем стержне, крайние стержни служат только для распространения магнитного потока. Особенностью этого трансформатора является наличие одной катушки, более высокое заполнение окна магнитопровода, частичная защита катушки от механических повреждений.

В стержневых трансформаторах катушки располагаются на двух стержнях. Обычно на каждом стержне помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмотки. Они соединяются между собой последовательно так, чтобы намагничивающие силы этих полуобмоток совпадали по направлению. Стержневые трансформаторы менее чувствительны к внешним магнитным полям.

Обмотки тороидального трансформатора наматывают на магнитопровод по окружности. У таких трансформаторов ярмо отсутствует.

В зависимости от технологии изготовления магнитопроводы стержневой, броневой, тороидальной конструкций бывают пластинчатые и ленточные (рис. 1, приложение) /6/.

Пластинчатые магнитопроводы набираются из отдельных пластин специальной формы, изготовляемых путем штамповки и изолируемых друг от друга слоем изоляционного материала для уменьшения потерь на вихревые токи.

Основные типы пластин в соответствии с ГОСТ 20249-80 приведены на рис. 2 (приложение). Также выпускаются Г-пластины, которые не гостированы, они выпускаются по техническим условиям (ТУ) .

Для уменьшения магнитного сопротивления пластины магнитопровода при штамповке ориентируют вдоль направления проката. Однако в направлении, перпендикулярном направлению проката, часть магнитопровода обладает повышенным магнитным сопротивлением из-за меньшего значения магнитной проницаемости. Для компенсации этого применяется уширение ярма.

Ленточные магнитопроводы навиваются из ленты. Ленточная конструкция более перспективна и находит широкое применение в современных унифицированных серийно выпускаемых трансформаторах ЭВС.

Трансформаторы, выполненные на ленточных магнитопроводах, по сравнению с пластинчатыми, имеют меньшие магнитные поля рассеяния, следовательно имеют большой коэффициент полезного действия.

Для обеспечения операции намотки обмоток ленточные магнитопроводы выполняются разрезными. В этом случае для получения хорошего магнитного контакта поверхности их стыка шлифуются с высокой степенью обработки, при сборке смазываются магнитопроводящими красками или клеями и плотно прижимаются. Типы разрезных ленточных магнитопроводов стержневой (рис. 3 а) и броневой (рис. 3 б) конструкций установлены ГОСТ 202050-76.

Рис. 3. Ленточные магнитопроводы

Ленточные магнитопроводы бывают также замкнутыми (неразрезными). Замкнутые магнитопроводы применяются при необходимости более полного использования магнитных свойств материала и уменьшения магнитных потерь. Однако при этом значительно удорожается процесс намотки.

Идеальным с точки зрения использования магнитных свойств магнитопровода является тороидальный трансформатор (Рис.3е) с ленточным кольцевым неразрезным магнитопроводом. У него минимальный поток рассеяния, малое магнитное сопротивление, высокие удельные массообъемные характеристики мощности. Основной недостаток - большая трудоемкость и высокая стоимость выполнения на нем обмоток.

В зависимости от типов применяемых при сборки пластин магнитопроводы подразделяются на следующие типы: ШI, ШШ, ШU, ПU (ПН), ШП (рис. 4) /9/.

Магнитопроводы типов ШI, ШШ, ШП в зависимости от сборки, определяющей взаимную ориентацию пластин, выполняются сборкой пластин встык (рис. 4 а, в, ж) и сборкой пластин внахлест (вперекрышку) (рис. 4 б, г, д, е). Магнитопроводы типов ШU, ПU (ПН) собирают только внахлест отдельными пластинами или пакетами из них. Сборка внахлест по сравнению со сборкой встык понижает общее магнитное сопротивление магнитопровода, поскольку большое магнитное сопротивление на участке стыка в одном ряду пластин шунтируется на этом участке малым магнитным сопротивлением соседнего ряда пластин.

Рис.4. Магнитопроводы различных типов

Тороидальные пластинчатые магнитопроводы (кольцевые) собираются из отдельных штампованных колец.

В основу обозначения магнитопроводов трансформаторов положены три буквы. Первая буква указывает геометрическую форму магнитопровода - П-образные, Ш-образные, О-образные. Вторая буква соответствует технологии изготовления (П - пластинчатый, Л - ленточный). Третья буква указывает соотношение размеров.

Примеры обозначения ленточных магнитопроводов стержневой и броневой конструкций:

ПЛ - П-образные, ленточные;

ПЛМ - П-образные, ленточные с уменьшенным отношением ширины окна к толщине навивки;

ПЛР - П-образные, ленточные с геометрическими размерами, обеспечивающими наименьшую стоимость трансформаторов;

ШЛ - Ш-образные, ленточные;

ШЛМ - Ш-образные, ленточные с уменьшенным отношением ширины окна к толщине навивки;

ШЛР - Ш-образные, ленточные с геометрическими размерами, обеспечивающими наименьшую стоимость трансформаторов;

ШЛО - Ш-образные, ленточные с увеличенным окном;

ШЛП - Ш-образные ленточные с увеличенным отношением ширины ленты к толщине навиивки.

Аналогично обозначаются пластинчатые магнитопроводы.

Например:

ПП - П-образные пластинчатые; ШП - Ш-образные пластинчатые и так далее.

Выбор магнитопроводов для трансформаторов с целью получения их с наименьшими массой, объемом и стоимостью следует производить в соответствии с рекомендациями, приведенными в ГОСТ 22050-76.

1. Магнитопроводы типа ПЛ применяют в низковольтных трансформаторах наименьшей массы на частоте от 50 до 400 Гц мощностью свыше 500 ВА.

2. Магнитопроводы типа ПЛМ применяют в низковольтных трансформаторах наименьших массы и стоимости на частоте 50 Гц мощностью свыше 100 ВА.

3. Магнитопроводы ПЛР применяют в трансформаторах наименьшей стоимости, рассчитанных на заданный перегрев.

4. Магнитопроводы типа ШЛ применяют в трансформаторах наименьшей массы на частоте 400 Гц.

5. Магнитопроводы типа ШЛМ применяют в трансформаторах наименьших массы и стоимости на частоте 50 Гц до мощности 100 ВА.

6. Магнитопроводы типа ШЛР применяют в трансформаторах наименьшей стоимости, рассчитанных на допустимое падение напряжения в обмотках.

7. Магнитопроводы типа ШЛО применяют в низковольтных трансформаторах на частотах от 1000 до 5000 Гц и в высоковольтных трансформаторах на частотах от 50 до 5000 Гц с наименьшими массой, объемом и стоимостью.

8. Магнитопроводы типа ШЛП применяют в трансформаторах наименьшего объема на частотах от 400 до 1000 Гц.

3.2. Катушки трансформаторов

Обмотки трансформаторов выполняются в основном на литых каркасах, образуя законченный конструктивный узел - катушку. Каркас придает механическую прочность и жесткость всей конструкции, а также играет важную роль в технологии изготовления трансформатора. Каркасы имеют различную конструкцию в зависимости от назначения трансформаторов, их стоимости, технологии намотки. Первой на каркасе (ближе всего к магнитопроводу) обычно располагается первичная обмотка, затем - вторичные. Для массового производства каркасы изготовляют методом прессования из пластмасс типа АГ-4 или ДСВ-2-Р-2М.

Обмотки в катушке могут располагаться одна над другой (цилиндрическое расположение) или одна сбоку относительно другой (секционированное расположение). Наиболее простой и широко распространенной является цилиндрическая намотка, при которой потокосцепление между обмотками лучше, а поток рассеяния меньше /9/.

Сравнительно редко применяется бескаркасная намотка на гильзы, в которой витки закрепляются способом намотки, называемым универсальным. Подобные обмотки более трудоемки и не имеют особых преимуществ перед каркасными обмотками. Гильзовая конструкция применяется в катушках с малым числом витков и слоев /9/.

Обмотки трансформатора характеризуются числом витков и средней длиной витка. Средняя длина витка определяется по геометрическим размерам магнитопровода, толщине обмотки и изоляционным расстоянием /8/.

Соединение обмотки с выводом осуществляют либо тем же проводом, которым намотана катушка, либо при малой толщине собственного провода - монтажным проводом . В обмотках, выполненных на каркасах, выводы могут быть выполнены гибкими проводами, используемыми в дальнейшем для электрического монтажа (пайка в плату), или соединяться со специальными контактами, впрессованными в щечки каркаса. В обмотках, выполненных на гильзах, выводы заделывают путем бандажирования под наружную изоляцию катушек.

Обмотки трансформаторов выполняются обычно медными изолированными обмоточными проводами круглого и прямоугольного сечения, обладающими хорошей теплостойкостью. Провода подразделяются на классы по температурному индексу (нагревостойкости) в С: 105, 120, 130, 155, 180, 200, 220 и выше /9/.