Лекции по "Экономике"

1. Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемойвторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его  первичной обмотки протекает  переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е₁ и E₂, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков ?₁ и ?₂ этих обмоток, т. е.

E₁/E₂ = ?₁/ ?₂.

Отношение э. д. с. Е_вн обмотки высшего напряжения к э. д. с. E_нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Е_вн / E_нн = ?_вн / ?_нн.

Коэффициент трансформации  всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U₁ и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

U₁/U₂? ?₁/ ?₂

Таким образом, подбирая требуемое  соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать  напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной  обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной  обмотки трансформатора к сети переменного  тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно  приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I₁/I₂ ? U₂/U₁или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I₁/I₂ ? ?₂/?₁. Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂ больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

2. Схема замещения однофазного трансформатора

Составление схемы замещения. Систему уравнений (1.20) – (1.22), описывающую  электромагнитные процессы в трансформаторе, можно свести к одному уравнению, если учесть, что  , и положить(1.26)

.

При этом параметры R₀ и X₀ следует выбирать так, чтобы в режиме холостого хода, когда ЭДС E₁ практически равна номинальному напряжению U₁, ток(1.27)

по модулю равнялся бы действующему значению тока холостого хода, а  мощность   – мощности, забираемой трансформатором из сети при холостом ходе.

Решим систему уравнений (1.20) – (1.22) относительно первичного тока

(1.28)

.

В соответствии с уравнением (1.28) трансформатор можно заменить электрической схемой, по которой  можно определить токи Í₁ и Í₂, мощность P₁, забираемую из сети, мощность ΔP потерь и т.д. Такую электрическую схему называют схемой замещения трансформатора (рис.1.9).

 
Рис. 1.9

Эквивалентное сопротивление  этой схемы(1.29)

,

где:  ; ; ; .

Схема замещения трансформатора представляет собой сочетание двух схем замещения - первичной и вторичной  обмоток, которые соединены между  собой в точках а и б. В цепи первичной обмотки включены сопротивления R₁ и X₁, а в цепи вторичной обмотки – сопротивления R′₂ и X′₂. Участок схемы замещения между точками а и б, по которому проходит ток I₁₀, называют намагничивающим контуром. На вход схемы замещения подают напряжение Ú₁, к выходу ее подключают переменное сопротивление нагрузки   , к которому приложено напряжение –Ú′₂.

Сопротивления   (и его составляющие R′₂ = R₂ n² и X′₂ = X₂n² ), а также   называют соответственно сопротивлениями вторичной обмотки и нагрузки, приведенными к первичной обмотке. Аналогично приведенными называют значения ЭДС и тока :

E′₂ = nE₂ ;

.

Полная мощность приведенного контура вторичной обмотки в  схеме замещения равна мощности вторичной обмотки реального  трансформатора: I′₂ E′₂= (I₂ /n )E₂n = E₂ I₂, а мощность электрических потерь в приведенном вторичном контуре этой схемы равна мощности потерь во вторичной обмотке реального трансформатора: 

.

Относительные падения напряжений в активном и индуктивном сопротивлениях приведенного вторичного контура также остаются неизменными, как и в реальном трансформаторе:

; 
.

3. Регулирование напряжения трансформаторов

Любой современный потребитель  электрической энергии (промышленное предприятие, жилой дом) требует  получения электроэнергии в достаточном  количестве и хорошего качества. Под  качеством электрической энергии  понимается ее частота, симметрия и  величина подводимого к потребителю  трехфазного напряжения.

Для экономичной и безаварийной работы любого потребителя необходимо, чтобы отклонения фактической величины подводимого к нему напряжения были минимальными. Во всяком случае, эти  отклонения не должны превышать установленной  для данного приемника нормы. Такие нормы определяются, например, ГОСТ 13109—67 и «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) и не должны нарушаться. Так, для электродвигателей  напряжение на зажимах не должно отличаться от номинального более чем в пределах от —5 до +10%. При снижении напряжения, например, на 10% уменьшится скорость вращения двигателя и возрастут токи ротора и статора, что приведет к перегреву  обмоток двигателя и сокращению срока службы его изоляции.

Весьма чувствительны  к отклонениям напряжения осветительные  установки, для которых допустимое отклонение напряжения составляет ±5% для жилых помещений и от —2,5 до + 5% для общественных зданий и  производственных помещений. При понижении  напряжения резко ухудшается освещаемость, а при повышении, например, на 10% срок службы ламп сокращается примерно втрое.

Для некоторых дуговых  электропечей снижение напряжения на 8% заставляет прекращать плавку стали, т. е. является аварийным.

Таким образом, колебания  напряжения приводят к значительному  ущербу и нужно стремиться сделать  их минимальными. Однако выполнить  это очень непросто, так как  причинами колебаний напряжения являются неизбежные изменения (включения  и отклонения) нагрузки и переменные режимы работы потребителей электроэнергии. Колебания напряжения являются в принципе неизбежными, поэтому для поддержания уровня напряжения постоянным требуется постоянное его регулирование.

Способы регулирования  напряжения

Различают два способа  регулирования напряжения: местное  и централизованное.

Под местным регулированием понимают регулирование напряжения непосредственно на месте потребления, т. е. его стабилизацию на заданном уровне у каждого отдельного потребителя (например, стабилизаторы для телевизоров) или сразу для группы потребителей (например, для одного или нескольких домов). В последнем случае в какой-то точке сети устанавливают трансформатор  с устройством для регулирования  напряжения. Это устройство включают, когда у всех потребителей, питаемых от этого трансформатора, надо поддержать напряжение на определенном уровне (например, 220 В).

Регулирование напряжения может  быть автоматическим, без отключения трансформатора от сети. При этом потребитель  даже не чувствует, что в трансформаторе происходят какие-то изменения. Такое  регулирование напряжения называют регулированием под нагрузкой (РПН). Однако РПН требует применения сложных  и дорогих переключающих устройств. Поэтому для трансформаторов  небольшой мощности часто применяют  регулирование напряжения без возбуждения, т. е. после отключения всех их обмоток  от сети. Этот способ регулирования  сокращенно называют ПБВ (переключение без возбуждения). После переключения трансформатор вновь включается в работу. При этом способе потребителя  на какое-то время вообще отключают  от сети. Особенно неудобно это там, где нагрузка меняется часто. Зато устройства ПБВ просты по конструкции и относительно дешевы.

Под централизованным регулированием понимают регулирование напряжения непосредственно на шинах генераторов  электростанций при помощи изменения  их возбуждения. Централизованное регулирование осуществляют обычно как «встречное», т. е. таким образом, чтобы оно заранее «встречало» колебания напряжения, вызванные нагрузкой. Так, в период наибольших нагрузок у генераторов поднимают напряжение выше номинального, чтобы компенсировать повышенные потери напряжения в сети и поддержать его у потребителя близким к поминальному. И наоборот, когда нагрузка снижается, уменьшают возбуждение у генераторов и соответственно напряжение в сети.

Регулирование напряжения без возбуждения

Допустим, что к сети с  напряжением 6,3 кВ нормально подключены несколько трансформаторов с  вторичными напряжениями 220 В. На практике редко случается, чтобы все эти  трансформаторы непрерывно работали с  полной нагрузкой. В ночные часы, когда  не работает большинство заводов  и потребляемая ими мощность обычно невелика, в сети 6,3 кВ проходит небольшой  ток, не вызывающий заметного падения  напряжения.

Когда на заводах включаются в работу станки, резко увеличивается  нагрузка на каждый трансформатор. Вторичные  токи в трансформаторах возрастают, растет соответственно и первичный  ток, потребляемый каждым трансформатором. Складываясь, эти токи образуют в  сети 6,3 кВ ток, во много раз больший, чем в ночные часы суток. Действительное напряжение сети равно уже не 6,3 кВ, а какой-то другой, меньшей величине. На столько же уменьшается и вторичное напряжение, питающее приемники энергии.

Однако потребители электроэнергии заинтересованы в получении постоянного  напряжения 220 В вне зависимости от колебаний первичного напряжения. Чтобы удовлетворить эти требования, в трансформаторах предусматривают возможность регулирования напряжения.

Наибольшее распространение  на практике получило регулирование  напряжения при помощи изменения  ступенями числа витков одной  из обмоток. Подавляющее большинство  трансформаторов строят с регулированием числа витков в обмотке ВН. Дело в том, что по обмотке НН протекает  большой ток и, следовательно, переключающее  устройство должно быть рассчитано на этот ток, т. е. оно неизбежно будет  громоздким. В обмотке ВН ток в  десятки раз меньше (6300/220=28,6) и, следовательно, переключающее устройство может  быть сравнительно небольшим и легким, хотя его и придется изолировать  от заземленных частей трансформатора на 6,3 кВ.

При изменении числа витков, например, первичной обмотки меняется величина магнитного потока, вследствие чего увеличивается (или уменьшается) напряжение во вторичной обмотке  трансформатора. Так, если напряжение питающей сети (первичное) постоянно, а  вторичное упало, то для его восстановления надо увеличить магнитный поток. Это достигается уменьшением  числа витков ω₁ первичной обмотки.

Действительно, при постоянном U₁ эдс Е₁ также неизменна. Из выражения Е₁ = 4,44f ω₁Ф_0максследует, что увеличить магнитный поток при неизменной Е₁ можно, только уменьшив число витков первичной обмотки. Если же первичное напряжение упало, то соответственно упадет и величина Ф₀. Для сохранения постоянной величины вторичного напряжения надо восстановить прежнее значение магнитного потока. Этого можно достигнуть также уменьшением числа витков первичной обмотки.