КПД трансформатора. Устройство и работа

 

Министерство  образования Российской Федерации 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат 

КПД трансформатора. Устройство и работа 
 
 
 
 
 
 

                                                      Выполнил:

                                                      Группа:  
 
 
 
 

Нижний  Новгород    2004 год

Введение 

 Трансформаторы - один из основных видов электротехнического  оборудования. Благодаря им можно получать электрическую энергию, при наиболее удобном напряжении, передавать ее с минимальными потерями напряжения и использовать при напрядении, рассчитанном на любого возможного потребителя. Передача электрической энергии от места производства до потребителя требует создания многих повышающих и понижающих напряжение трансформаторов. В зависимости от параметров электроэнергии, необходимой тем или иным потребителям, трансформаторы изготавливают на различные мощности и напряжения. Существуют трансформаторы мощностью от нескольких вотльт-ампер до 1 200 000 кВ*А и более.

Для транспортировки  электроэнергии построены десятки  и сотни тысяч километров высоковольтных линий электропередачи напряжением 110, 220, 330, 500, 700, 1150 и 1500 кВ.

Для обеспечения этих линий элетропередачи, разработанны и освоены мощные трансформаторы и автотрансформаторы; создане крупные серии распределительных трансформаторов общего назначения различной мощности и назначения; специальные трансформаторы для электротермических преобразовательных и других установок; пусковые, передвижные, регулировочные, испытательные и другие специальные трансформаторы.

  Устройство 

Трансформатор состоит из замкнутого железного  сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Схема устройства трансформатора с двумя обмотками приведена на рисунке 2,

 Трансформаторы  бывают: повышающие, понижающие однофазные, трех и многофазные. Силовые, измерительные, испытательные.

Номинальные данные щитка: S_H, квт, U_1H/U_2H, I_1H/I_2H, l/l, ?.

Активными элементами трансформатора являются

1. магнитопровод
2. обмотки

Магнитопроводы бывают:

1. Броневые
2. Стержневые

 
 
 
 
 
 

                                  Рис.1                      Рис.2

Обмотки

а) дисковые у броневого трансформатора

б) цилиндрические

в) винтовые

г) непрерывные

  Однослойные и многослойные

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Магнитопровод с обмоткой помещается в бак с  трансформатором маслом, которое  служит для изоляции и охлаждения 

Основные  параметры трансформаторов  

     Генераторы  электрического тока по техническим  причинам, нельзя изготовлять на очеь большие напряжени, даже крупные из них имеют напряжения не более 24 кВ, а такое напряжение можно использовать только на малых расстояниях от электростанции.

     Чтобы  передача электрической энергии(электроэнергии) на многие сотни и тысячи километров стали выгодной, необходимо значительно большее напряжение 500, 750 кВ и более. Для этой цели и служит трансформатор - электомагнитное устройство с двумя или более обмотками, предназначенное для преобразования с помощью элетромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого(или других) напряжений. Обмотка трансформатора, к которой подводиться энергия преобразуемого перемнного тока, называется первичной, а обмотка от которой отводится энергия преобразованного переменного тока - вторичной.Существут трансформаторы у которых помимо первичной и вторичной обмоток, существует третья обмотка с промежуточным напряжением.

     Обмотки  трансформаторов, к которым подводится  энергия преобразуемого или отводится  энергия преобразованного переменного тока, нахывают основными, напрмер, первичная и вторичная обмотки трансформатора. Кроме основных, у трансформатора могут быть и другие обмотки, не связанные непосредственно с приемом или отдачей энергии преобразованного переменного тока, которые называют вспомогательными. Различают Различают основные обмотки трансформатора высшего(ВН), низшего(НН) и среднего (СН) напряжений.

     Обмотка  ВН имеет наибольшее номинальное  напаряжение по сравнению с  другими основными обмотками трансформатора, Обмотка НН - наименьшее номинальное напряжение, а обмотка СН - номинальное напряжение, являющееся промежуточным между ВН и НН.

     Трансформатор  у которого первичной обмоткой  называется НН - называют повышающим. В конце линии передач, где начинаеться распределение энергии, устанавливают трансформаторы, снижающие напряжение линнии до напряжений, необходимых потребителю. Первичной в таких трансформаторах служит обмотка ВН, а трансформаторы называются понижающими. Таким образом, в зависимости от назначения повышать или понижать, напряжение первичной обмотки одного и того же трансформатора может быть обмотка НН или ВН. 

Коэффициент полезного действия трансформатора 
 

Преобразование  электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями энергии на нагрев сердечника и обмоток. Уравнение  баланса мощностей трансформатора имеет вид:

где                               - активная мощность, потребляемая от сети,  

                             j      - мощность, отдаваемая в нагрузку,

                       - потери в меди первичной обмотки, 

     - потери в  стали трансформатора,

             - потери в меди  вторичной обмотки. 

Процесс преобразования энергии в трансформаторе иллюстрирует энергетическая диаграмма, приведенная на рис. 5

 
 
 
 
 
 
 

Величина

 
 

носит названия коэффициента полезного действия трансформатора.

Если обозначить сумму

 
 

и назвать  ее потерями в меди трансформатора, то КПД трансформатора можно выразить так  
 
 
 

Потери в  стали         определяются величиной и частотой изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора, а так как поток почти не зависит от нагрузки, то потери в стали остаются почти постоянными и равными потерям в режиме ХХ

Поскольку потери в меди обмотки пропорциональны  квадрату действующего значения тока, через нее протекающего, последние  могут быть определены из упрощенной схемы замещения трансформатора (рис 2-) в режиме КЗ.

                                   - потери в меди при номинальном токе первичной обмотки,

                          

              - потери в меди при токе, отличном от номинального,

                                           . 

Активную мощность в нагрузке трансформатора можно  вычислить по формуле:

 

где                   -         - полная мощность в нагрузке трансформатора в номинальном  

режиме. Теперь выражение, определяющее КПД трансформатора можно записать в виде:

 
 
 
 

Эта формула  рекомендована ГОСТом для определения  КПД трансформатора.  

Анализ полученного выражения  показывает, что КПД неоднозначно зависит от коэффициента нагрузки b и является функцией характера нагрузки                     что иллюстрируется кривыми, приведенными на рис. 6 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 6 

При b =0, h =0. С  ростом отдаваемой мощности h увеличивается, т.к. в энергетическом балансе уменьшается удельное значение потерь в стали, имеющих приблизительно постоянное значение. При некотором значении                  КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с ростом тока нагрузки. Причиной этого является увеличение потерь в меди, возрастающих пропорционально квадрату тока (или     ), в то время как полезная мощность растет пропорционально b. Значение             можно получить из условия.

 
 

при этом

 
 
 

Следовательно КПД имеет максимум при такой нагрузке, при которой потери в меди трансформатора равны потерям в стали. Для трансформаторов большей мощности

=0,5 - 0,7, при  этом                  =0,995. Трансформаторы малой мощности рассчитывается как, чтобы             =1, тогда                    =0,7 – 0,9. При уменьшении величины                КПД уменьшается, т.к. возрастают токи    и ,      при которых трансформатор имеет заданную мощность      .

Трансформатор состоит из замкнутого железного  сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Схема устройства трансформатора с двумя обмотками приведена на рисунке 2,  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  используемой литературы. 
 

1. Китунович Ф.Г.

       Электротехника.

3-е изд., переработанное  и дополненное.

Минск. «Высш. Школа», 1991. 

2. Евдокимов Ф. Е.

     Теоретические основы электротехники.

Изд. 4-е, перераб. и доп. Учебник для энергетич.

и электротехнич. специальностей техникумов.

М. «Высш. Школа», 1975. 

3. Касаткин А.С. 

     Основы  электротехники.

М.-Л., изд-во «Энергия», 1966. 

4. Касаткин А.С.  Немцов М.В.

   Электротехника: Учеб. пособие для вузов.-

4-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 1983.-