Магнитные цепи Электрические машины

Теория цепей. Магнитные цепи Основы теории электромагнитного поля

Расчет трансформаторов

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной системы переменного тока в другую систему, в частности имеющую другое напряжение и ток, но ту же частоту.

Как правило, простейший трансформатор имеет две изолированные обмотки, помещенные на стальном магнитопроводе. Обмотка, включённая в сеть источника электрической энергии, называется первичной, обмотка, от которой энергия подаётся к приёмнику − вторичной.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называется повышающим, если же первичное напряжение больше вторичного, то − понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

Протекающий по первичной обмотке переменный ток создает  в магнитопроводе сердечника переменный магнитный поток Ф. Этот поток сцеплен с обеими обмотками и вызывает в каждой из них переменную ЭДС. Поэтому вторичная обмотка может рассматриваться как источник переменного напряжения. Если вторичная цепь будет замкнута, то по ней потечет ток. Первичная активная мощность, потребляемая трансформатором из сети:

P1 = U1 · I1 · cos φ1.

Вторичная активная мощность, отдаваемая потребителю:

P2 = PН = U2 · I2 · cos φ2.

Если не учитывать потери в трансформаторе (КПД трансформаторов большой мощности 97-99%), то приближенно можно считать:

Р1 = Р2.

При обычной работе трансформаторов фазовые сдвиги первичной и вторичной цепей равны φ1 ≈ φ2, а напряжения первичной и вторичной обмоток мало отличаются от ЭДС этих обмоток, поэтому можно записать:

U1 · I1 ≈ U2 · I2 и U1/ U2 ≈ I2 / I1 ≈ Е1 / Е2 = w1/ w2 = К,

где К - коэффициент трансформации трансформатора, показывает во сколько раз трансформатор повышает или понижает напряжение.

На каждом трансформаторе помещается табличка с указанием на них номинальных значений величин. К ним относятся: а) полная мощность, ВА или кВА; б) линейные напряжения, В или кВ; в) линейные токи при номинальной мощности; г) частота, Гц; д) число фаз; е) схема и группа соединений. Для однофазных трансформаторов ряд величин не указывается (в, д, е).

 Рассмотрим конструктивное  выполнение однофазных трансформаторов наиболее используемых в практике.

 

 

 

 

 

 

 

МАГНИТОПРОВОДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы трансформаторов низкой частоты навиваются из полос (рис.7.1 а и б) или набираются из пластин (рис.7.2,а и б), штампованных из электротехнической стали или железоникелевых сплавов. Применяют также магнитопроводы из ферритов.

Штампованные пластины чаще всего бывают Ш - и П - образной формы. Пластины П-образной формы используются в мощных трансформаторах. Наиболее распространенными являются Ш-образные пластины. 0бычная толщина пластин 0,5 или 0,35 мм. Если материал сердечника должен иметь толщину меньше 0,3 мм,  то сердечник изготовляют не из пластин, а из ленты.

Для уменьшения потерь в магнитопроводе на вихревые токи пластины изолируют тонким слоем лака или окисла. Чтобы ликвидировать зазор между пластинами и перемычками, магнитопроводы собирают в переплет.

По расположению обмоток на сердечнике различают стержневые (рис.7.3,а) и броневые (рис.7.3,б) трансформаторы. Те части сердечника, на которых  размещены о6мотки, называются стержнями, те части, которые соединяют между собой стержни и служат для замыкания магнитной цепи, называют ярмами. Пространства между стержнями и ярмами, через которое проходят обмотки, называются окнами сердечника.

Пластины сердечника после сборки стягиваются планками или уголками при помощи шпилек с гайками либо специальными обжимами. Стяжные планки, уголки или обжимки служат одновременно для крепления трансформатора на шасси.

Из полос электротехнической стали навивают Ш-образные и тороидальные магнитопроводы.

Ш-образный и тороидальный витые магнитопроводы показаны на рис.7.1.

Самыми лучшими свойствами обладают тороидальные магнитопроводы, использование которых приводит к уменьшению уровня помех и взаимных связей в трансформаторах вследствие меньшего потока рассеяния. При одинаковых ампервитках индукция тороидальных магнитопроводов больше, чем в броневых и стержневых. Это позволяет уменьшать размеры и вес трансформаторов.  В трансформаторах с тороидальными магнитопроводами лучше условия охлаждения обмоток, поскольку витки распределяются по тороиду. При этом уменьшается длина витка, расходуется меньше провода и повышается КПД трансформатора.

Для высокочастотных трансформаторов рекомендуется выбирать сердечники из ферритов. Ферритами называют ферромагнетики на основе двойных окислов железа и одновалентных или двухвалентных металлов: никеля, цинка, марганца и др. Ферриты имеют кристаллическую структуру и относятся к числу полупроводников с электронной электропроводностью. Для сердечников используют только магнитомягкие материалы. Конструкция ферритовых сердечников разнообразна, но чаще используют стержневые, кольцевые, броневые, Ш- и П-образные сердечники.

КАРКАСЫ.

Служат для наматывания обмотки трансформаторов, их прессуют из пластмасс, склеивают из электрокартона или собирают из отдельных деталей, изготовленных из гетинакса, прессшпана, текстолита или электрокартона. Иногда применяют бескаркасную намотку (на гильзу).

ОБМОТКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

Обмоткам трансформаторов придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. При такой форме обмотки лучше противостоят механическим усилиям, возникающим во время работы трансформатора.

В некоторых случаях применяют прямоугольные, овальные и другие фор­мы. При малых токах обмотки наматывают из медного или алюминиевого изолированного провода круглого поперечного сечения, а при больших - прямоугольного сечения. В трансформаторах для малогабаритной аппарату­ры используют провод с эмалевой изоляцией (ПЭЛ или ПЭВ). Обмотки высокого напряжения наматывают из провода с шелковой или эмалево-шелковой изоляцией (ПЭЛШО, ПЭЛШД). Между слоями обмотки помещают про­кладки из лакоткани или тонкой бумаги (чаще изолируют только обмотки первичную и вторичную).

Порядок расположения обмоток на каркасе не имеет принципиального значения. В трансформаторах большой мощности (выше 1 кВА) ближе к стержню располагают обмотку низшего напряжения, так как её легче изолировать от магнитопровода. Для снижения стоимости и удобства перемотки маломощных трансформаторов обмотки из тонких проводов помещают ближе к магнитопроводу (тонкие провода дороже).

Несинусоидальные воздействия в электрических цепях Причины возникновения несинусоидальных токов. Способы представления периодических несинусоидальных величин. Действующие и средние значения несинусоидальных величин. Анализ линейных электрических цепей несинусоидального тока. Применение метода суперпозиций. Мощность электрических цепей несинусоидального тока.
Расчет однотактного каскада усилителя мощности