ISBN 5-256-01005-0

В.И.Хиленко, А.В.Хиленко

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ

УСТРОЙСТВ

СВЯЗИ

 

Рекомендовано Министерством связи

Российский Федерации в качестве учебника

для учащихся техникумов, обучающихся

по специальностям: «Сети связи и системы

коммутации», «Многоканальные

телекоммуникационные системы»,

«Радиосвязь, радиовещание и телевидение»

 

ББК 32.88

Х45

УДК 621.314

 

 

Издание выпушено в счет дотации, выданной Комитетом Российской Федерации по печати

 

Рецензент В.К. Стеклов

 

Хиленко В.И., Хиленко А.В.

Х45 Электропитание устройств связи: Учебник для техникумов. — М: Радио и связь, 1995.— 224 с.: ил

ISBN 5-256-01005-0

Описываются трансформаторы, выпрямители, стабилизаторы, преобразователи, а также электропитающие установки предприятий связи; приводятся устройства, принцип действия, структурные и принципиальные схемы и области применения.

Для учащихся специальных учебных заведений электротехнических специальностей.

Х КБ-94 ББК 32.88-4

 

Учебное издание

 

 

Хиленко Василий Иосифович

Хиленко Александр Васильевич

 

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ СВЯЗИ

 

Учебник

 

Глава 1. ТРАНСФОРМАТОРЫ

 

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Устройство и принципдействия. Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, преобразующее электрическую энергию переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию переменного тока с иными параметрами (напряжением, током, числом фаз, формой кривой напряжения).

По ГОСТ 16110-70 «трансформатором называется статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока».

Трансформаторы можно классифицировать по различным признакам. В зависимости от схемы они могут быть однообмоточными (автотрансформаторы), двухобмоточными и многообмоточными. По мощности - маломощные (десятки вольт-ампер), средней (сотни вольт-ампер) и большой мощности (до нескольких тысяч киловольт-ампер). По наивысшему напряжению одной из обмоток - низковольтные и высоковольтные (свыше 1000 В). По конструкции сердечников - стержневые, броневые и тороидальные. По числу фаз - однофазные и трехфазные. По виду охлаждения - с естественным воздушным и масляным. По назначению - силовые, согласующие и импульсные.

Наибольшее применение находят силовые трансформаторы, в которых переменное напряжение преобразуется по величине в напряжение, необходимое для питания заданной установки. Они называются трансформаторами питания.

Основными частями трансформатора являются закрытый сердечник из ферромагнитного материала 1 и обмотки 2 (рис. 1.1). Те части сердечника, на которые наложены обмотки, называются стержнями (с)сердечника. Часть сердечника, служащая для замыкания магнитной цепи и не несущая на себе обмоток, называется ярмом (я).У трансформатора имеется два ярма - верхнее и нижнее. Сердечник предназначен для увеличения магнитной связи междуобмотками.

Обмотка, к которой подводится энергия преобразуемого переменного тока,называется первичной (W₁). Обмотки, к которым подключается потребитель энергии (нагрузка), называются вторичными (W₂). Обмотки с большим числом витков называются обмотками высшего напряжения (ВН), с меньшим - низшего (НН).

Принцип действия трансформатора основан на использовании явления электромагнитной индукции. Если к зажимам первичной обмотки трансформатора W₁ подвести переменное напряжение U₁, то протекающий по ней ток I₁создаст в сердечнике переменный магнитный поток Ф, пронизывающий первичную и вторичную обмотки и замыкающийся по сердечнику. Этот поток наводит ЭДС самоиндукции E₁ в первичной обмотке и ЭДС взаимоиндукции - во вторичной. В результате на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение U₂. При подключении ко вторичной обмотке нагрузки Z_Hпо ней потечет ток I₂. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора определяется количеством витков вторичной обмотки.

Таким образом, со стороны первичной обмотки трансформатор является потребителем энергии, а со стороны вторичной - источником электрической энергии. Из первичной обмотки во вторичную энергия передается с помощью переменного магнитного поля, а гальваническая связь между обмотками отсутствует.

Отношение действующих ЭДС, равное отношению чисел витковобмоток, называется коэффициентом трансформации К=Е₁–Е₂.

В трансформаторах, повышающих напряжение, w₂>w₁ и коэффициент трансформации больше единицы: К>1. В трансформаторах, понижающих напряжение, w₂<w₁, а коэффициент трансформации меньше единицы: К<1.

 

1.2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

 

Нормальными (неаварийными) режимами работы трансформатора считают два: режим холостого хода и рабочий.

Режим холостого хода - это режим работы трансформатора, при котором к его первичной обмотке подведено номинальное напряжение U₁от источника электрической энергии, а вторичная обмотка разомкнута. В этом случае под действием напряжения U₁ по первичной обмоле протекает ток, который называют током холостою хода I_1х. Этот ток создает магнитодвижущую силу (МДС) F=I_1xW₁, где W₁ - число витков первичной обмотки. Магнитодвижущая сила возбуждает переменный магнитный ток (Ф), большая часть силовых линии которого (Ф_о) замыкается по магнитопроводу, а меньшая, называемая потоком рассеяния (Ф_s) - по воздуху.

Основной магнитный поток Ф_о является рабочим магнитным потоком. Он пронизывает витки первичной и вторичной обмоток. Поток рассеяния Ф_s, пронизывает только первичную обмотку и индуктирует в ней ЭДС рассеяния E_s.

Рабочий магнитный поток индуктирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, действующее значение которой E₁=4,44fw₁Ф, а во вторичной - ЭДС взаимоиндукции: E₂=4,44fw₂Ф. Из этих выражений видно, что индуктируемая в обмотках ЭДС пропорциональна частоте, числу витков и магнитному потоку. Так как значения f и Ф одинаковы для обеих обмоток, то индуктируемые в них ЭДС прямо пропорциональны числам витков этих обмоток. Следовательно, изменяя число витков вторичной обмотки, можно изменять значение индуктируемой в ней ЭДС Е₂.

При протекании тока холостого хода I_1х в первичной обмотке создается падение напряжения на активном сопротивлении обмотки r₁ I_1xr₁.

Если представить ЭДС рассеяния первичной обмотки в виде падения напряжения в индуктивном сопротивлении x1 этой обмотки, обусловленного потоком рассеяния Ф_s,т.е. E_s1=jI₀x₁, то для первичной обмотки можно сое мнить уравнение равновесия ЭДС

U₁ = - E₁+I₀r₁+jI₀x₁= - E₁+I₀z₁

где z₁- полное сопротивление первичной обмотки трансформатора.

Построение векторной диаграммы для режима холостого хода трансформатора удобно начать с вектора амплитуды рабочего магнитного Ф_м, откладывая его по горизонтальной оси. При синусоидальном изменении потока индуктируемые в обмотках ЭДС Е₁ и Е₂ изменяются по косинусоидальному закону Векторы ЭДС Е₁ и Е₂направлены по отношению к вектору потока Ф_м под углом 90° в сторону отставания. В реальном трансформаторе ток холостого хода состоит из двух составляющих: активной и реактивной.

 

 

Реактивная составляющая тока холостого хода I_0р(рис. 1.2) совпадает по направлению с Ф_м,а активная - опережает его на 90°. Вектор тока холостого хода I₀ получается и результате геометрическою суммирования векторов I_0а и I_0р.

Напряжение U₁,приложенное к первичной обмотке трансформатора при холостом ходе, уравновешивается электродвижущими силами Е₁ и Е_s, а также падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки U_a=I_0ar₁. Электродвижущая сила Е_p2(Е_s)=I_0xx₁. Изводится магнитным потоком рассеяния Ф_sи опережает ток I₀ на 90°. После геометрического сложения этих составляющих получаем вектор U₁.

При холостой ходе трансформатора ток холостого хода I_1x очень мал и выдаваемое им падение напряжения на активном и реактивном сопротивлениях z₁=r₁+jx₁очень мало, поэтому им можно пренебречь. Можно считать, что напряжение на первичной обмотке U₁ уравновешивается ЭДС E₁.

Рабочий режим трансформатора - это такой режим, при котором первичная его обмотка подключена к источнику электрической энергии, а ко вторичной обмотке подключен потребитель электрической энергии - нагрузка.

Под действием переменного напряжения U₁ в первичной обмотке трансформатора протекает ток I₁. При этом намагничивающая сила I₁W₁ возбуждает основной магнитный поток Ф_н.н, который индуктирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС Е₁и Е₂. При подключении нагрузки z₂ во вторичной обмотке возникает ток I₂. Магнитодвижущая сила этого тока возбуждает в сердечнике магнитный поток вторичной обмотки Ф₂. Так как причиной появления потока Ф₂ является поток Ф₁,то, по закону Ленца, поток Ф₂ направлен встречно потоку, его создающему, т.е. потоку Ф₁. В результате поток Ф₂стремится уменьшить магнитный поток Ф₁. Напряжение сети, к которой подключена первичная обмотка, стремится восстановить значение магнитного потока, посылая в трансформатор дополнительный ток DI₁. Таким образом, при нагрузке трансформатора ток в первичной обмотке увеличивается и его значение можно выразить так:

I₁+I_1x+DI₁

где I_1x — ток холостого хода; DI₁ - ток, идущий на поддержание неизменным магнитного потока при подключении нагрузки, т.е. при появлении тока I₁.

Построение векторной диаграммы нагруженного трансформатора начинают с вектора рабочего магнитного потока Ф_м, который откладывается в положительном направлении по горизонтальной оси. Вектор тока холостого хода I₀ повернут относительно вектора Ф_мна угол потерь a. Векторы ЭДС E₁ и Е₂направлены по отношению к вектору Ф_м в сторону отставания. Вектор тока I₂ в общем случае не совпадает по фазе с создающей его ЭДС E₂. Так, при активно-индуктивной нагрузке вектор тока I₂ повернут относительно вектора E₂ на угол j₂ в сторону отставания.

Для удобства построения векторных диаграмм вторичную обмотку трансформатора приводят к виткам первичной, т.е. условно принимают, что вместо вторичной обмотки с числом витков W₂ имеется обмотка с числом витков W₁, равным числу витков первичной обмотки, но так, чтобы мощности, потери энергии и фазовые углы между электрическими величинами оставались после приведения трансформатора неизменными. Пользуясь этим, вектор первичного тока I₁ построим сложением векторов тока холостого хода I₀ и приведенного вторичного тока: . Причем вектор приведенного вторичного тока I₂ направлен противоположно вектору I₂.

Вектор подведенного к трансформатору напряжения U₁строится геометрическим сложением трех векторов: вектора U₁¹ = -Е₁, вектора падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки U_a1 = I₁r₁, совпадающего по фазе с током I₁, и вектора падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки U_L1 = I₁x₁, опережающею ток I₁ по фазе на угол 90°. Вектор напряжения на первичной обмотке трансформатора U₂ строится вычитанием из вектора ЭДС E₂ вектора I₂r₂ и индуктивного I₂х₂.

 

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНСФОРМАТОРА

 

Номинальная мощность трансформатора Р_нвыражается в вольт-амперах. Указывать номинальную мощность трансформатора в ваттах нельзя, так как величина активной мощности, которую трансформатор может передать, зависит от коэффициента мощности нагрузки cos j, который у различных потребителей имеет различное значение. Таким образом, Р_н = U_2нI_2н, В×А, где U_2н - номинальное напряжение на вторичной обмотке - это напряжение, которое действует на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки; I_2н - номинальный ток вторичной обмотки I_2нI.

В процессе работы трансформатора часть мощности, получавши им от сети идет на покрытие электрических и магнитных потерь.

Электрические потери - это потери на нагрев проводов в обмотках трансформатора протекающими по ним токами: P_э = P_э1+Р_э2 = I₁²r₁+I₂²r₂. Их иначе называют потерями в меди Р_м.

Магнитные потери - это потери в магнитопроводе трансформатора. Их называют потерями в стали Р_ст. Они состоят из потерь на гистерезис ипотерь от вихревых токов. Потери в стали зависят от частоты тока питания сети и величины магнитной индукции. При стабильных значениях первичного наложения и его частоты магнитный поток, а значит, и амплитуда магнитной индукции постоянны. Поэтому значение магнитных потерь практически неизменно, т.е. не зависит отнагрузки трансформатора и равно потерям мощности холостогохода Р_х.х.

Коэффициент полезного действия трансформатора (КПД) h представляет собой отношение активной мощности на выходе трансформатора Р_ак активной мощности на входе трансформатора Р₁:

h = Р₂/Р₁ = Р₂/(Р₂+Р_ст+Р_м).

Коэффициент полезного действия трансформатора зависит от его нагрузки и достигает 98...99%.

Основные технические параметры трансформаторов чаще всего определяются методами испытания их в режимах холостого хода и короткого замыкания.

Опыт холостого хода проводят в следующем порядке. Первичную обмотку подключают ксети, а вторичную оставляют разомкнутой. В режиме холостого хода измеряют напряжения первичной U_1a и вторичной U_2х отмоток, ток холостого хода I_х.х. и потребляемую при этом мощность Р_х.х. В режиме холостого хода U₁ » E₁и U_2х » E₂. Поэтому коэффициент трансформации определяют как отношение n = U₁/U_2x. Так как вторичная обмотка разомкнута и ток I₂ » 0, вся мощность, потребляемая от сети, является мощностью потерь. Ток холостого хода I_x.xнебольшой - 0,02...0,1 номинального тока I₁первичной обмотки. Поэтому тепловыми потерями в меди первичной обмотки можно пренебречь, т.е. P_x.x » 0. Следовательно, при холостом ходе вся мощность, потребляемая трансформатором от сети, затрачивается на потери в стали магнитопровода: Р_х.х » Р_м.

По результатам опыта холостого хода определяют коэффициент мощности холостого хода: cos j_x = P_х.х/I_1кU_1ном.

Опыт короткого замыкания проводится следующим образом. Вторичную обмотку замыкают накоротко, а к первичной подается от сети пониженное напряжение, которое постепенно с помощью регулятора повышают до такого значения U, при котором токи в обмотках достигают номинальных значений, т.е. I_1k = I_1hom, I_2к = I_2ном. Это напряжение U_кназывается номинальным напряжением короткого замыкания. Оно составляет 0,05…0,1 U_х.ном, 0,05…0,1 U_к1ном. Магнитный поток, соответствующий этому напряжению, незначительный, и поэтому магнитными потерями можно пренебрегать (Р_м.к » 0). При опыте короткого замыкания нагрузки нет и мощность в нагрузку не отдается. Следовательно, вся мощность, потребляемая трансформатором от сети в режиме короткого замыкания, расходуется на покрытие электрических потерь в обмотках трансформатора, т.е. Р_к = Р_э. При опыте короткого замыкания измеряют напряжение короткого замыкания U_к, ток в первичной обмотке, который в этом режиме принимают равным номинальному току I_н и мощность Р_к, потребляемую трансформатором. По результатам опыта определяют потери в проводах обмоток Р_э при номинальном токе, напряжение короткого замыкания U_н и сопротивление трансформатора z_к.

 

1.3. СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

 

Особенности конструкции. Сердечники силовых трансформаторов для уменьшения нагрева от вихревых токов изготавливаются из специальной электротехнической (трансформаторной) пластинчатой или ленточной стали. Для пластинчатых магнитопроводов применяются горячекатаные марки электротехнической стали, для ленточных - холоднокатаные, обладающие меньшими удельными потерями, а также большей магнитной проницаемостью. Чем выше магнитная проницаемость материала сердечника, меньше удельные потери и больше индукция насыщения, тем меньше размеры трансформатора при одной и той же мощности и частоте тока питающей сети, однако тем обычно он дороже. С целью уменьшения потерь на вихревые токи пластины изолируются одна от другой лаком, окалиной или тонкой бумагой. В трансформаторах, работающих на частоте 50 Гц, используются листы и ленты толщиной 0,5 и 0,35 мм, на повышенных частотах - 0,2; 0,15; 0,1; 0,08; 0,02 мм. С уменьшением толщины листа уменьшаются потери от вихревых токов.

Сердечники стержневых трансформаторов собираются из отдельных стальных пластин прямоугольной формы. Для уменьшения сопротивления магнитопровода магнитному потоку пластины при сборке укладываются внахлест или встык. При сборке внахлест пластины в чередующихся слоях размещают так, чтобы разрезы у лежащих друг на друге листах были с разных сторон магнитопровода; пластины в месте стыка прилегают плотно, что уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода, но усложняет монтаж и демонтаж трансформатора.

После сборки магнитопровода его стягивают болтами или шпильками. Стяжные планки и болты изолируют от магнитопрода элкетрокартоном или бумагой для того, чтобы не допустить образования короткозамкнутых витков вокруг сердечника.

При сборке встык все пластины составляют вместе, располагая одинаково. Сердечник составляется из двух частей, закрепленных вместе. В месте стыка помещается изолирующая прокладка с большим магнитным сопротивлением. Без такой прокладки пластины ярма могут замкнутьсяс пластинами стержня, что увеличивает вихревые токи и вызовет нагрев стали в месте стыка.

Трансформаторы малой мощности чаще всего изготавливаются на сердечниках броневого типа. Такие сердечники собираются из отдельных Ш-образных штампованных пластин или лент. Витые из лент холоднокатаной стали Ш-образные или тороидальные сердечники имеют более высокую магнитную проницаемость. Это приводит к повышению величины магнитной индукции, что позволяет уменьшить массу трансформатора и его стоимость. Кроме того, витые разрезные Ш-образные сердечники состоят из двух половин, что упрощает технологию сборки трансформаторов. Тороидальные витые сердечники не разрезаются. Намотка обмоток в них производится специальными намоточными станками челночного типа.

Достоинства таких трансформаторов: минимальный внешний поток рассеяния, малое магнитное сопротивление, нечувствительность к внешним магнитным полям.

В трансформаторах с броневыми сердечниками обмотка размещается на среднем стержне. При этом магнитный поток разветвляется на правую и левую части, в результате чего в крайних стержнях его величина в 2 раза больше, чемв среднем. Поэтому сечения крайних стержней вдвое меньше сечения среднего.

При мощности в нагрузке менее 40 В×А целесообразно применять трансформаторы с броневыми сердечниками. При мощности менее 200 В×А лучшие объемно-весовые характеристики имеют тороидальные трансформаторы, при мощности более 200 В×А лучшими характеристиками обладают стержневые трансформаторы (как на частоте 50 Гц,так и на частоте 400 Гц). В трансформатораx большой мощности чаще всего применяют стержневые сердечники с вентиляционными каналами для улучшения охлаждения. Поперечное сечение таких сердечников имеет ступенчатую форму для того, чтобы можно было применить цилиндрические обмотки с более полным использованием рабочего пространства.

Обмотки. Обмотки трансформаторов изготавливают из медных и алюминиевых проводов. Обмотка с большим числом витков, на выходных зажимах которой действует более высокое напряжение, называется обмоткой высшего напряжения, а обмотка с меньшим числом витков, на зажимах которой действует более низкое напряжение, называется обмоткой низшего напряжения.

В зависимости от способа включения один и тот же трансформатор может работать как повышающий, так и понижающий.

Для трансформаторов малой мощности (при токах до 25 А для воздушных и до 45 А для масляных) обмотки выполняются изолированным проводом круглого сечения, который обычно наматывается на каркас из электротехнического картона или гетинакса. Каркас состоит из гильзы, представляющей собой трубку прямоугольного или круглого сечения. На концах гильзы укрепляются боковые щеки. Часто применяется и бескаркасная намотка. В этом случае обмотка наматывается на гильзу, не имеющую боковых щек. Витки укладываются рядами плотно друг к другу. При малом диаметре провода витки могут западать из верхних рядов в нижние, в результате чего напряжение между отдельными витками окажется очень большим и вызовет пробой изоляции. Чтобы не допустить западания витков, после каждого слоя намотки укладывается прокладка из конденсаторной, кабельной или телефонной бумаги. При диаметре провода более 1 мм обмотку часто выполняют бескаркасной, а при больших мощностях и больших токах — из шин прямоугольного поперечного сечения.

Обмотки трансформатора должны быть надежно изолированы, конструкция их должна обеспечивать хорошее охлаждение. Размещаться на магнитопроводе обмотки могут концентрическим и дисковым способом. В первом случае внутри, ближе к сердечнику, размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей изоляции от магнитопровода, снаружи - обмотка высшего напряжения. Для уменьшения магнитного рассеяния применяют двойные концентрические обмотки, в которых обмотка низшего напряжения делится на две одинаковые катушки, а между ними помещается обмотка высшего напряжения. В дисковых обмотках катушки низшего и высшею напряжений, изготовленные в виде отдельных дисков, размещаются на мaгнитопроводе поочередно. Дисковые обмотки обладают меньшим рассеянием, но более сложны и применяются в импульсных и выходных трансформаторах.

Обмотки стержневого трансформатора выполняются многослойными цилиндрическими и размещаются на двух стержнях. Причем на каждом стержне сердечника помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмоток. Половины каждой обмотки соединяются между собой последовательно или параллельно, так, чтобы намагничивающие силы этих половин обмоток совпадали по направлению при обходе по контуру магнитопровода, т.е. полуобмотки должны быть соединены согласно. При таком расположении обмоток на сердечнике обеспечивается большая магнитная связь между обмотками, чем при размещении первичнойи вторичной обмоток на различных стержнях. Большая магнитная связь обеспечивает меньшие падения напряжения, которые возникают при изменениях нагрузки трансформаторов.

В броневом магнитопроводе обмотка размещается на среднем стержне и магнитный поток разветвляется на правую и левую части. Поэтому в крайних стержнях магнитный поток в 2 раза меньше, чем в центральном. Это позволяет уменьшить сечение крайних стержней в 2 раза по сравнению с центральным. Обмотки высоковольтных трансформаторов заливают компаундами либо помещают вместе с магнитопроводами в стальной бак и заливают трансформаторным маслом для повышения электрической прочности изоляции и лучшего охлаждения.

 

1.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

 

Измерять большие токи и очень высокие напряжения приборами, включаемыми в сеть непосредственно, - сложная задача и конструктивно неудобно. Поэтому для измерения больших постоянных токов применяют специальные шунты, подключаемые параллельно амперметру, рассчитанному на небольшой ток. А для измерения высоких напряжений постоянного тока включают последовательно с низковольтным вольтметром добавочные сопротивления.

В цепях переменного тока для расширения пределов измерения приборов применяются специальные измерительные трансформаторы. Они одновременно обеспечивают изоляцию измерительных приборов от токоведущих частей, находящихся под высоким напряжением.

Трансформаторы тока предназначены для подключения амперметров, токовых обмоток ваттметров, приборов релейной защиты и др. Они преобразуют переменный ток большой величины в ток малой величины и рассчитываются так, чтобы при большом токе в первичной обмотке ток во вторичной не превышал 5 А.

Первичная обмотка трансформатора тока Л1-Л2, по которой протекают рабочие токи, состоит из одного-двух витков провода большого сечения. Она включается последовательно в цепь нагрузки, ток в которой надо измерять. Вторичная обмотка И1-И2 имеет много витков из провода малого сечения. К ней подключается амперметр, внутреннее сопротивление которого очень мало. Поэтому трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания и магнитный поток в сердечнике очень мал. При обрыве или размыкании вторичной обмотки трансформатора тока ток I₂ станет равным нулю, а ток I₂в первичной обмотке не изменится. В результате этого магнитный поток в сердечнике возрастет во много раз, вызывая перегрев сердечника и резкое возрастание ЭДС вторичной обмотки и пробой изоляции. Поэтому при отключении нагрузки вторичную обмотку измерительных трансформаторов необходимо замыкать накоротко. Для безопасности обслуживания один из выводов вторичной обмотки и сердечник измерительного трансформатора тока должны быть заземлены.

Измерительный трансформатор напряжения применяется для подключения вольтметров и вольтметровых катушек, счетчиков электрической энергии и частотомеров к сети переменного тока с напряжением выше 220 В.

Первичная (высоковольтная) обмотка (А-X) трансформатора напряжения, имеющая большое число витков, подключается на полное измеряемое напряжение высоковольтной сети. Ко вторичной (низковольтной) обмотке (а-х) с малым числом витков подключаются вольтметр, частотомер, фазометр и другие приборы.

Измерительный трансформатор напряжения - понижающий, с коэффициентом трансформации, обеспечивающим напряжение вторичной обмотки около 100 В. Такие трансформаторы изготовляются как однофазными, так и трехфазными с номинальными первичными напряжениями от 380 В до 400 кВ.

Сопротивление вольтметров достаточно большое, поэтому ток во вторичной обмотке трансформатора напряжения очень мал и режим работы трансформатора близок к режиму холостого хода. Отношение напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора напряжения почти точно равно коэффициенту трансформации.

 

1.5. АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

 

Автотрансформаторомназывается однообмоточный трансформатор, у которого вторичная (выходная) обмотка является частью первичной (входной) oбмотки. На рис. 1.3 приведены схемы включения понижающего (а)и повышающего (б)автотрансформаторов. На схемах видно, что часть входного тока протекает непосредственно через нагрузку, в результате чего мощность в нагрузку передается не только магнитным, но и электрическим полем.

 

Конструктивноавтотрансформатор выполняется так же, как и трансформатор: на стальном магнитопроводе помещаются две обмотки из проводников различного сечения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что обе последовательно соединенные обмотки образуют одну общую обмотку высшего напряжения. Одна из обмоток, являющаяся частью обмотки высшего напряжения, служит обмоткой низшего напряжения.

Преимущества автотрансформатора по сравнению с трансформатором той же мощности: меньше расход активных материалов - стали и обмоточного провода, меньше потери энергии, выше КПД и коэффициент мощности, меньше изменение напряжения при изменениях нагрузки.

Недостаток автотрансформатора: наличие электрической связи между сетью и приемником энергии. Это не позволяет применять его в тех потребителях энергии, которые имеют заземленный полюс (в выпрямительных устройствах).

Коэффициентом трансформации К_тр автотрансформатора называют отношение высшего напряжения холостого хода к низшему. Это отношение практически равно отношению числа витков обмотки высшего напряжения к числу витков низшего напряжения. На рис. 1.3,а можно проследить, что под действием входного напряжения U₁через всю обмотку (W₁+W₂; В, Б, А) протекает ток I₁. В части обмотки (W₂; Б, А), которая выполняет роль вторичной, протекает ток нагрузки I₂, имеющий по отношению к току I₁обратное направление. В результате этого через витки W₂ протекает результирующий ток I_р, значение которого определяется разностью первичного и вторичного токов I_р = I₂-I₁.

Достоинства автотрансформатора тем больше, чем ближе к единице коэффициент трансформации. При К_тр, близком к единице, ток в общей части обмотки (W₂) составляет незначительную часть от входного тока. Поэтому для общей части обмотки может быть провод меньшего сечения. А поскольку передача мощности в нагрузку в автотрансформаторе происходит не только магнитным полем, но и электрическим током, то сечение магнитопровода уменьшается. В результате автотрансформатор имеет меньшие габариты и вес по сравнению с обычным трансформатором.

Выпускаются также автотрансформаторы со ступенчатой и плавной регулировкой выходного напряжения. Они называются лабораторными автотрансформаторами, регулировочными (ЛАТР). Для осуществления ступенчатой регулировки выходного напряжения делают несколько отводов со вторичной обмотки. Плавная регулировка выходного напряжения достигается применением скользящего контакта. Такой автотрансформатор изготавливается на тороидальном сердечнике, на который наматывается один слой провода, оголенного в той части, по которой перемещается ролик, перекрывающий не более двух витков, т.е. накороткозамыкающий один виток. При этом ток короткого замыкания ограничивается большим сопротивлением переходного контакта между обмоткой и роликом.

Трехфазные автотрансформаторы изготавливаются на сердечниках стержневого типа.

 

1.6. ТРЕХФАЗНЫЕ СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

 

При помощи нагрузки более 1…2 кВт целесообразно применять трехфазные трансформаторы, так как при этом обеспечивается равномерная нагрузка по всем трем фазам трехфазной сети.

Энергию трехфазного тока можно трансформировать двумя способами: 1) тремя однофазными трансформаторами, первичные и вторичные обмотки которых соединены между собой по одной из трехфазных схем; 2) трехфазным трансформатором.

Силовые трехфазные трансформаторы обычно изготавливают стержневыми с расположением стержней в одной плоскости. На каждом стержне такого трансформатора размещают обмотки низшего и высшего напряжений одной фазы. При концентрическом выполнении обмоток низковольтная обмотка размещается ближе к стержню. За ней идут обмотки среднею напряжения (если они есть) и обмотка высшею напряжения.

Начала фазовых обмоток высшего напряжения обозначают прописными латинскими буквами А, В, С, а концы - X, Y, Z. Начала обмоток низшего напряжения обозначают строчными латинскими буквами a, b, c, концы фаз - х, у, z, вывод нулевой точки – 0.

Схему соединения обмоток обозначают дробью, числитель которой указывает схему обмоток высшего напряжения, знаменатель – низшего. Для трехфазных двухобмоточных трансформаторов приняты следующие соединения обмоток:

звезда-звезда с выведенной нулевой точкой;

звезда-треугольник;

звезда с выведенной нулевой точкой - треугольник;

треугольник - звезда с выведенной нулевой точкой.

При соединении обмоток в звезду концы всех трех фаз соединяются между собой, образуя общую нейтральную (нулевую) точку, а свободные начала трех фаз подключаются к проводам сети источника или приемника электрической энергии переменного тока.При соединении обмоток в треугольник начало первой фазы соединяют с концом второй, начало второй - с концом третьей, начало третьей - с концом первой. Точки соединения начала одной фазы с концом другой подключают к проводам трехфазной сети переменного тока.

Обмотки низшего напряжения чаще всего соединяют в треугольник, так как эта схема значительно менее чувствительна к несимметрии нагрузок.

Если мощность одного трансформатора недостаточна для питания мощных потребителей, применяют параллельно включение трансформаторов.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1 Дать определение трансформатора.

2 Какое физическое явление лежит в основе работы трансформатора?

3 Назовите основные части трансформатора.

4 Почему магнитопроводы трансформаторов выполняются из пластин, а не монолитными?

5 Поясните принцип действия трансформатора.

6 Что называется коэффициентом трансформации?

7 Поясните работу трансформатора в режиме холостого хода.

8 Нарисуйте векторную диаграмму режима холостого хода трансформатор.

9 Поясните работу трансформатора в его рабочем режиме.

10 Нарисуйте векторную диаграмму рабочего режима трансформатора.

11 Назовите основные технические параметры трансформатора.

12 Поясните конструкцию силового трансформатора.

13 Назовите виды сердечников трансформаторов.

14 Назовите особенности трансформаторов на тороидальных сердечниках.

15 Как размещаются обмотки на сердечниках трансформаторов?

16 Для чего предназначаются измерительные трансформаторы и каковы их особенности?

17 Нарисуйте схему включения автотрансформатора.

18 Нарисуйте схемы включения трехфазных трансформаторов.