Самостійна робота № 10 (3 год.)

ТЕМА: Робота і потужність змінного струму. Трансформація змінного струму. Трансформатор

МЕТА: З’ясувати характер виконання роботи змінним струмом та ознайомити студентів з призначенням, класифікацією трансформаторів, значення їх в роботі мереж та електрообладнання;

вивчити будову, принцип дії однофазною трансформатора, поняття коефіцієнту трансформації, режими роботи трансформаторів та схеми з’єднань.

Перелік посилань:

2 Бушок Г.Ф.Курс фізики. Кн.2. / Г.Ф. Бушок, Є.Ф. Венгер. – К.: Вища школа, 2002, с. 229-235.

7 Кучерук І.М. Загальний курс фізики. У трьох томах. Т. 2. / І.М.Кучерук, І.Т Горбачук, П.П. Луцик. – К.: Техніка, 2006, с. 374-379.

ПЛАН

1. Робота і потужність змінного струму.

2. Трансформація змінного струму. Трансформатори.

Зміст теоретичного матеріалу

Робота і потужність змінного струму.

Змінним електричним струмом називається такий струм, величина і напрям якого змінюється за гармонічним законом.

Такий струм можна отримати, якщо виток дроту рівномірно обертати в однорідному магнітному полі відносно осі, перпендикулярної до напряму ліній магнітної індукції (рис. 1).

Рис.1

Магнітний потік, який пронизує контур рамки, визначається так:

(1)

де - кут між напрямом нормалі до площини рамки і напрямом вектора ; - кутова швидкість обертання рамки; f- частота обертання; S – площа рамки; Ф₀ – максимальне значення магнітного потоку (при  = 0).

В основі виникнення змінної ЕРС покладене явище електромагнітної індукції. Величина ЕРС, що виникає у рамці дорівнює:

(2)

де ₀ –амплітудне значення ЕРС З даної формули випливає, що ЕРС, яка виникає у рамці, що обертається з постійною кутовою швидкістю  в магнітному полі змінюється за синусоїдальним законом з циклічною частотою . Таким чином кутова швидкість обертання рамки є одночасно циклічною частотою коливання ЕРС і сили змінного струму. З формул (1) і (2) видно, що коли магнітний потік максимальний, то ЕРС мінімальна і навпаки. Якщо кінці рамки приєднати до мідних кілець, до яких притиснуті вугільні контакти (щітки ), а до них – споживач R, то в колі буде протікати змінний струм , де R+r – повний опір кола, i(t) – миттєве, I₀ - амплітудне значення сили струму.

Амперметр і вольтметр у колі змінного струму показують не миттєві і не максимальні значення струму і напруги, а ефективні. Діюче, або ефективне, значення величини змінного струму І дорівнює величині такого постійного струму, який, протікаючи по тому самому провіднику що і змінний струм виділяє в ньому за один і той же проміжок часу таку саму кількість теплоти.

Діючі значення струму і напруги визначаються за формулами: і відповідно. І₀, U₀ – амплітудні значення струму і напруги.

Робота змінного струму за один період A= . Нехай u=U₀ , а i=I₀ , де φ − зсув фаз між напругою та струмом. Тоді A= .

Потужність у колі змінного струму.

Протікаючи по провіднику, змінний струм, так само як і постійний зумовлює нагрівання цього провідника. Кількість енергії , що витрачається за одиницю часу на нагрівання провідника називається активною потужністю. Активна потужність, що виділяється на ділянці кола, яке містить лише активний опір R визначається за формулою

.

Враховуючи, що і , активну потужність Р можна виразити через амплітудні значення струму і напруги

.

Якщо ділянка кола крім активного опору містить ще й реактивний опір Х_L або Х_С , то

між коливаннями напруги і струму в таких ділянках існує зсув фаз . З векторних діаграм випливає, що . Тоді активна потужність, що виділяється на ділянці кола, яка містить реактивний опір визначається за формулою

Зсув фаз між коливаннями сили струму і напруги визначається співвідношенням

.

Величина формулі називається коефіцієнтом потужності в колі змінного струму. Коефіцієнт потужності в колі змінного струму можна визначити за відомими значеннями потужності і діючими значеннями струму і напруги

.

Трансформація змінного струму. Трансформатори.

Трансформатором називається статичний електромагнітний апарат, який перетворює змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги тої ж частоти.

Одною з важливих функцій трансформатора є його здатність перетворювати напругу, що створюють електричні генератори, в значно вищу напругу ліній електропередач. Це дає можливість передавати великі електричні потужності на далекі відстані без великих втрат, тобто реалізувати плани великих енергосистем. оскільки електрична потужність є добутком напруги та струму, при тій самій потужності енергію можна передавати з великою напругою, але з меншим струмом. Це забезпечує значний економічний ефект завдяки економії провідникового матеріалу, тому що при меншому струмі переріз кабелів і ліній електропередач можна взяти меншим. Без цього ефективно розвивати електроенергетику країни було б неможливо.

Не менш важливою функцією трансформатора є можливість дістати у виробництві та побуті різні значення напруги, хоча до трансформаторної підстанції й підводиться одна напруга (6, 10, 35 або 110 кВ).

Трансформатори можна класифікувати так:

1. За кількістю фаз (однофазні – для трансформації однофазного стуму та трифазні – для трансформації трифазного струму).

2. За способом охолодження (сухі, коли охолодження їх здійснюється повітрям навколишнього середовища, а масляні, в яких магнітопровід з обмотками занурюється в бак з трансформаторним маслом, яке відбирає від них теплоту).

3. За вторинною напругою (підвищувальні, коли вторинна напруга вища за первину, й знижувальні, коли вторинна напруга нижча за первинну).

4. За кількістю обмоток (двохобмоткові, що мають по одній первинній та вторинній обмоток, а також багатообмоткові , що мають одну первинну і кілька вторинних обмоток). Велике поширення у великострумовій електротехніці дістали трьохобмоткові трансформатори (наприклад, з первинною напругою 110кВ і двома вторинними – 35 та 10 кВ).

5. За призначенням (силові, вимірювальні, зварювальні, узгоджувальні, імпульсні, розподільчі).

Силові трансформатори - це трансформатори, які призначені для перетворення електричної енергії в електричних мережах та в установках для її приймання і використання і живлять споживача незалежно від його навантаження.

Вимірювальні трансформатори - це трансформатори, які що живлять електровимірювальні прилади чи кола релейного захисту й керування.

Зварювальні трансформатори - це трансформатори, які є джерелами живлення для зварювання при змінному струмові.

Узгоджувальні трансформатори – це трансформатори, які використовуються для узгодження напруги або опорів між каскадами в радіопристроях, місцевому освітлення і т. д.

Імпульсні трансформатори - це трансформатори, які призначені для перетворення імпульсів напруги або струмів з однієї мережі в іншу.

Розподільчі трансформатори – це трансформатори, які використовуються для електромагнітного зв’язку в електромережах з метою електробезпеки.

6. За будовою магнітопроводу (броньові, стержньові, тороїдальні)

Основні частини трансформатора - магнітопровід і обмотки.

На стальному магнітопроводі, виготовленому зі складених пакетом спресованих штампованих листів електротехнічної сталі, є дві обмотки. Обмотки виготовляють з мідного або алюмінієвого дроту. Та обмотка, що приєднується до мережі, називається первинною, а та, з якою з'єднується струмоприймач, - вторинною.

Під дією напруги мережі в первинній обмотці виникає струм I1, який створює магнітний потік Ф1. Цей потік пронизує вторинну обмотку, індукуючи в ній е. р. с. і струм. Останній як і кожний індуктивний струм, протидіє причині, що його зумовила. Ця протидія виявляється в тому, що він створює магнітний потік Ф2, спрямований проти потоку Ф1, який причинив його. Внаслідок цього у магнітопроводі встановлюється сумарний магнітний потік Ф, який дорівнює різниці магнітних потоків Ф1 і Ф2.

Цей потік пронизує первинну та вторинну обмотки трансформатора, індукуючи в них е. р. с.

3. Коефіцієнтом трансформації трансформатора є – число, що показує, у скільки разів вторинна е. р. с. більша чи менша від первинної.

Якщо K > 1, тобто вторинна напруга вища від первинної, то такий трансформатор називають підвищувальним. Якщо ж K < 1, то це – знижувальний трансформатор.

Режим роботи трансформатора, при якому до первинної його обмотки підводиться напруга мережі, а вторинну обмотку розімкнено, називається холостим ходом трансформатора.

В цьому режимі у вторинній обмотці зовсім нема струму, а в первинні проходить струм, який становить 5 – 8% номінального. Цей струм називається струмом холостого ходу трансформатора.

Наявність в електроустановках трансформаторів, які працюють вхолосту (або недовантажені), погано відбивається на коефіцієнт потужності цих установок.

При холостому ході потужність, яка підводиться з мережі до первинної обмотки трансформатора, витрачається на її нагрівання від перемагнічування магнітопровода і на втрати в ньому від вихрових струмів.

Схема роботи в режимі холостого ходу:

Нормальний режим роботи трансформатора

Якщо вторинну обмотку трансформатора замкнено на якийсь опір, то такий режим роботи трансформатора називається нормальним, або режимом роботи під навантаженням.

При вмиканні у вторинну обмотку трансформатора опру в ній утворюється струм навантаження І2, який створює магнітний потік Ф2, що протидіє магнітному потоку Ф1, створюваному струмом у первинній обмотці. Внаслідок цього у магнітопроводі трансформатора створюється сумарний магнітний потік Ф, який дорівнює різниці потоків Ф1 і Ф2

Робота трансформатора в режимі навантаження:

1. Для трансформації трьохфазного струму можна використати три однофазні трансформатори, що працюють як один агрегат. Але можна об’єднати три однофазних трансформатора в один трьохфазний апарат й при цьому досягнути економії матеріалів.

Трифазні трансформатори виготовлюють головним чином стержньовими. Схему побудови магнітопроводу трифазного стержньового трансформатора наведено на мал. 1а.

        

Схема перетворення трьох однофазних трансформаторів в один трьохфазний.

Т ри однакові однофазні трансформатори виконані так, що їхні первинні і вторинні обмотки розміщенні на одному стержні кожного магнітопроводу, а другий стержень без обмотки. Якщо ці три трансформатори розмістити так, щоб стержні без обмоток знаходилися поруч, то три стержні можна об’єднати в один (мал. 1б) . Через об’єднаний стержень замикатимуться магнітні потоки трьох однофазних трансформаторів, які однакові за амплітудою і зсунуті за фазою на третину періоду. Оскільки сума трьох однакових  за амплітудою і зсунутих за фазою на третину періоду магнітних потоків дорівнює нулеві у будь-який момент часу (ФА+ФВ+ФС = 0), то в об’єднаному стержні магнітного потоку немає і потреба в цьому стержні відпадає.

2. Трифазний трансформатор складається з магнітопроводу і трьох стержнів, які конструктивних міркувань розміщують в одній площині (мал. 1в). На кожному стержні трифазного трансформатора розміщують обмотки вищої й нижчої напруг однієї фази. Стержні з’єднуються між собою ярмом зверху і знизу. Довжина магнітних ліній потоку середнього стержня менша, ніж крайніх стержнів, отже, магнітний потік зустрічає на своєму шляху менший магнітний опір, ніж магнітні потоки крайніх стержнів. Тому у фазі, обмотка якої розміщена на середньому стержні, протікає намагнічувальний струм меншої сили, ніж у фазах, обмотки яких розміщені на крайніх стержнях.

Конструктивно обмотки трифазних трансформаторів виконують так само, як і однофазних. Початки фаз вищої напруги позначають – А, В, С,  а кінці фаз – Х, Y, Z. (мал. 1г) Якщо обмотка вищої напруги має виведену нульову точку, то цей затискач позначається цифрою 0. Початки фаз нижчої напруги позначають – а, в, с, а кінці фаз – x, y, z; вивід нульової точки – 0.

         3. Обмотки трифазних трансформаторів можуть бути з’єднані зіркою чи трикутником.  

         З’єднання обмоток трифазних трансформаторів зіркою позначається  Υ, а трикутником ▲. Ұ – обмотка з’єднана зіркою і має виведену нульову точку.

         Групи трифазних трансформаторів позначаються знаками такого вигляду: Υ ⁄ Ұ –O; Υ ⁄▲– 11.

         Групи трифазних трансформаторів залежить від схем з’єднання обмоток, позначення затискачів фаз обмоток вищої і вищої напруг та від їх напрямку.

         В Україні застосовуються такі стандартні групи трифазних трансформаторів:

                         Υ ⁄ Ұ – O;        Υ ⁄ ▲ – 11;           Ұ ⁄▲– 11.

         У стандартних схемах обмотки вищої напруги з’єднані зіркою, оскільки за такої схеми фазна напруга в 3 разів менша від лінійної, завдяки чому спрощується ізоляція обмоток. Обмотки нижчої напруги частіше з’єднують трикутником, бо за такого з’єднання трансформатор менш чутливий до несиметрії фазного навантаження. Обмотки нижчої напруги з’єднується  також зіркою з нулем; за такої схеми у чотирипровідній мережі можна одержати дві різні напруги – лінійну і фазну (наприклад, 127 і 220 В; 220 і 380 В і т. д.). Для збільшення потужності трансформації підстанції та для спрощення резерву використовують паралельне приєднання трансформаторів, однією з неодмінних умов є належність їх до однакових груп.

4. Трансформатори, у яких первинна і вторинна обмотки, крім магнітного, мають ще й електричний зв'язок, називаються автотрансформаторами.

Автотрансформатори бувають однофазними і трифазними, підвищувальними та понижувальними. Принципова схема однофазного трансформатора зображено на рис.

Автотрансформатори характеризуються прохідною потужністю. Прохідною потужністю називають потужність, на яку слід було б виготовити звичайний трансформатор, що зміг би замінити наявний трансформатор.

Перевагою автотрансформаторів над звичайними трансформаторами є простота їх конструкції (одна обмотка замість двох), економія обмотувальної міді та менші теплові втрати.

Проте сфера застосування автотрансформаторів обмежена. Вони непридатні для перетворення високої напруги в низьку, бо сторона низької напруги з'єднується електрично зі стороною високої напруги, і тому ізоляція в межі низької напруги повинна бути розрахована на високу напругу.

Економія обмотувальної міді в автотрансформаторах можлива лише при невеликих коефіцієнтах трансформації. З урахуванням цієї особливості автотрансформатори використовують лише в установках з коефіцієнтом трансформації не більш як 1,5 – 2.

Поряд з однофазними існують трифазні автотрансформатори.

Автотрансформатори часто застосовуються для пуску електродвигунів змінного струму й у лабораторній практиці.