Дипломная (вкр): Расчет силового масляного трансформатора

Если необходимо повысить вторичное напряжение , то число витков  берут больше,  и такой трансформатор называют повышающим.

Если необходимо понизить вторичное напряжение , то число витков  берут меньше, , такой трансформатор называют понижающим.

В режиме холостого хода трансформатор возбужден, т.е. в магнитопроводе замыкается переменный магнитный поток, наводящий в обмотках трансформатора ЭДС.

При подключении к вторичной обмотке возбужденного трансформатора сопротивления нагрузки  по обмотке потечет ток  и создаст МДС:

.                                                                                (1.11)

МДС  возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток , направленный встречно потоку , который создавался первичной обмоткой в режиме холостого хода:

.                                                                       (1.12)

Результирующий магнитный поток  уменьшается, при этом ЭДС  так же уменьшается и не уравновешивает напряжение , подведенное к первичной обмотке. Равенство  не выполняется. Потребляемый первичной обмоткой ток увеличивается по сравнению с режимом холостого хода . Увеличенный ток первичной обмотки  создаст МДС:

.                                                                                 (1.13)

Эта МДС больше, МДС холостого хода и возбуждает больший магнитный поток . Увеличенный магнитный поток  компенсирует размагничивающее действие потока . Поэтому результирующий магнитный поток при нагрузке трансформатора не изменится:

.                                                      (1.14)

В дальнейшем знак « - » перед потоком  будем опускать, имея ввиду, что поток  всегда направлен встречно потоку .

Таким образом, при нагрузке магнитное поле трансформатора создается совместным действием МДС первичной и вторичной обмоток, сумма которых равна МДС, создаваемой первичной обмоткой при холостом ходе :

.                                                             (1.15)

Неизменность магнитного потока трансформатора при переходе от режима холостого хода к режиму нагрузки является важнейшим свойством трансформатора.

Уравнения напряжений первичной и вторичной обмоток для нагруженного трансформатора согласно второму закону Кирхгофа:

,                                                                                     (1.16)

,                                                                            (1.17)

где полное сопротивление первичной обмотки; активное (омическое) сопротивление вторичной обмотки; индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки, обусловленное потоком рассеяния.

Коэффициент полезного действия современных трансформаторов составляет 97 - 99 %. Поэтому мощность первичной и вторичной обмоток трансформатора приблизительно одинакова (реальная мощность во вторичной обмотке несколько уменьшается из-за наличия внутренних потерь энергии):

,                                                                                   (1.18)

где полная мощность первичной обмотки; полная мощность вторичной обмотки. Следовательно, токи в обмотках трансформируются обратно пропорционально напряжению обмоток:

.                                                                                 (1.19)

Из (1.19) видно, что при увеличении вторичного напряжения в  раз по сравнению с первичным напряжением ток во вторичной обмотке уменьшится соответственно в  раз.

Коэффициент  - называют коэффициент трансформации. Согласно ГОСТ коэффициент трансформации  определяется как отношение ЭДС обмотки высшего напряжения  к ЭДС обмотки низшего напряжения  (или отношение их чисел витков):

                                                                        (1.20)

В практике эксплуатации трансформаторов коэффициент трансформации определяется как отношение номинальных напряжений, отношение ЭДС, чисел витков, обратное отношение токов первичной и вторичной обмоток трансформатора:

                                                                  (1.21)

Работа трансформатора возможна только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к сети постоянного тока с напряжением , то в его магнитопроводе образуется постоянный не меняющийся во времени, по величине и направлению магнитный поток . ЭДС  и  в обмотках трансформатора не индуцируются так, как нет изменения потокосцепления (производная от постоянного числа равна 0):

                                                                            (1.22)

                                                                           (1.23)

Следовательно, электрическая энергия из первичной обмотки во вторичную не передается. Такой режим является аварийным режимом работы трансформатора, так как напряжение постоянного тока уравновешивается только падением напряжения на омическом сопротивлении первичной обмотки:

                                                                                   (1.24)

Соответственно ток в первичной обмотке в десятки раз превышает номинальное значение:

.                                                                                   (1.25)

Трансформаторы в устройствах автоматики и радио электроники служат так же для преобразования нагрузочного сопротивления и позволяют изменить сопротивление в  раз.

Если к источнику переменного тока через трансформатор подключить сопротивление , то для цепи источника величина сопротивления определяется:

,                                                             (1.26)

где потребляемая трансформатором от источника мощность; мощность, потребляемая сопротивлением от трансформатора.

Это свойство трансформатора используют для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников электрической энергии.

1.3 Виды трансформаторов и магнитопроводов

Кроме двухобмоточных трансформаторов применяются многообмоточные трансформаторы с одной первичной и несколькими вторичными обмотками (до 10 - 15 обмоток в трансформаторах радиотехники). Многообмоточные силовые трансформаторы обычно выпускаются трехобмоточными (одна обмотка первичная две обмотки вторичные). Наибольшее распространение получили двухобмоточные силовые трансформаторы.

По числу фаз  чаще всего применяются однофазные  и трехфазные  трансформаторы. Трансформаторы с другим числом фаз используются в специальных устройствах.

Силовые трансформаторы, служащие для преобразования энергии в электрических сетях переменного тока на электростанциях, подстанциях, промышленных предприятиях, в городских сетях, сельском хозяйстве являются наиболее распространенным и важным классом трансформаторов. Кроме силовых трансформаторов существует целый ряд трансформаторов специального назначения: выпрямительные, сварочные, измерительные и другие.

Основные вопросы теории являются общими для всех видов трансформаторов. Однако в последующих главах вопросы теории рассматриваются применительно к силовым трансформаторам.

По конструкции магнитопроводы трансформаторов подразделяются на стержневые и броневые.

В стержневых магнитопроводах (рис. 1.4, а, б) ярма соединяют разные стержни по их торцам. На каждом стержне есть обмотки в виде концентрических цилиндров. При мощности до 100000 кВ∙А наибольшее распространение получили плоские стержневые магнитные системы. Ярма и стержни в таких трансформаторах расположены в одной плоскости. Трехфазные стержневые магнитопроводы (рис. 1.4, б) магнитно несимметричны так как длина магнитопровода для средней фазы несколько меньше, чем для крайних фаз. Вследствие этого ток в обмотках среднего стержня несколько меньше, чем в обмотках крайних стержней.

Магнито-симметричные стержневые пространственные магнитопроводы широко с осями стержней и ярм в разных плоскостях применяют в трансформаторах мощностью до 6300 кВ∙.

В броневых магнитопроводах (рис. 1.5) боковые ярма соединяют концы стержней и «обхватывают» обмотки. Магнитный поток в ярмах однофазной магнитной системы вдвое меньше, чем в стержне, что позволяет уменьшить в два раза площадь сечения ярма относительно стержня. В трехфазных броневых трансформаторах для выполнения этих соотношений у обмоток средней фазы изменяют маркировку концов или направление намотки относительно других фаз. В противном случае увеличатся в  магнитные потоки в общих частях ярма между окнами магнитопровода. Соответственно придется в  увеличивать сечения ярма на этих участках, что приведет к увеличению массы, габаритов стоимости всего магнитопровода и трансформатора.

Броневые магнитопроводы применяют в однофазных трансформаторах малой мощности. Трехфазный броневой трансформатор можно рассматривать как три однофазных броневых трансформатора, поставленных друг на друга или рядом с другом. Трехфазные силовые трансформаторы с броневым магнитопроводом в России не производят. Такие трансформаторы производят некоторые иностранные фирмы.

В трансформаторах мощностью более 100000 кВА, высота которых ограничена условиями транспортировки по железным дорогам, применяют плоский стержневой магнитопровод с разветвленными ярмами. Такой магнитопровод называют бронестержневым Для него характерно, что в однофазной конструкции (рис. 1.5, в) каждый стержень имеет одно боковое ярмо и поток ярма равен половине потока стержня, а в трехфазной конструкции (рис. 1.5 г) только два стержня из трех имеют боковые ярма и поток ярма меньше потока стержня в  раз. За счет применения боковых ярм в бронестержневом трансформаторе по сравнению со стержневым высота торцевых ярм в однофазной конструкции может быть уменьшена в 2 раза, а в трехфазной - в  раз. Вследствие этого уменьшается высота магнитопровода и всего трансформатора.

1.4 Схемы и группы соединения трансформаторов

Для преобразования, или трансформации, трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора (рис. 1.6, а) которые включаются по отдельности в каждую фазу трехфазной сети. Такое устройство называется трехфазной трансформаторной группой, или групповым трансформатором. На практике чаще применяют трехфазные стержневые трансформаторы с плоским, реже c пространственным магнитопроводом. Плоский трехстержневой трансформатор (рис. 1.6, б) компактнее и дешевле.

Для силовых трансформаторов ГОСТ устанавливает стандартные обозначения (маркировку) начал и концов (выводов) обмоток и их ответвлений (отводов), приведенные в таблице 1.1.

Чередование фаз принято считать слева направо, если смотреть на трансформатор со стороны отводов ВН. Если обмотка ВН или НН имеет регулировочные ответвления, то их обозначают теми же буквами, что и начало и концы, но с цифровыми индексами 1, 2, 3, 4 и.т.д. В трехфазных трансформаторах обмотки чаще всего соединяют по следующим схемам: