Следует различать короткое замыкание в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания.
Коротким замыканием трансформатора называется его режим, когда вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко. В эксплуатационных условиях короткое замыкание является аварийным режимом, при котором внутри трансформатора выделяется большое количество теплоты, способное его разрушить.
Опыт короткого замыкания выполняется при сильно пониженном до небольшого значения первичном напряжении (примерно 5-10% номинального первичного напряжения). Его значение выбирают так, чтобы ток I1 в первичной обмотке был равен номинальному значению, несмотря на короткое замыкание вторичной обмотки. При помощи комплекта измерительных приборов (рис. 103) посредством опыта определяются напряжение U1к, ток I1k и мощность P1k.
Ток I2 при номинальном значении I1также будет иметь номинальное значение. Эдс Е2 при этом опыте будет лишь покрывать внутреннее падение напряжения, т. E2K = I2z2, а при номинальной нагрузке
2 = 2 + 2
поэтому Е2k составляет лишь несколько процентов от Е2. Малой эдс Е2 соответствует малый основной магнитный поток. Потери энергии в магнитопроводе пропорциональны квадрату магнитного потока, поэтому при опыте короткого замыкания они незначительны. Но в обеих обмотках при этом опыте токи имеют номинальные значения, поэтому потери энергии в обмотках такие же, как и при номинальной нагрузке. Следовательно, мощность Р1к, получаемая трансформатором из сети при опыте короткого замыкания, затрачивается на потери энергии в проводах обмоток:
103. Схема включения приборов при опыте короткого замыкания
Вместе с тем на основании напряжения короткого замыкания определяется (в % к первичному напряжению) падение напряжения в трансформаторе при номинальной нагрузке. По этим соображениям напряжение короткого замыкания (при короткозамкнутой обмотке низшего напряжения) всегда указывается на щитке трансформатора.
Трехфазный трансформатор.
Для передачи энергии не применяют однофазный переменный ток. Для этих целей получил широкое распространение трехфазный ток. Поэтому большинство трансформаторов являются трехфазными.
Можно трансформировать трехфазный ток, пользуясь тремя однофазными трансформаторами, первичные и вторичные обмотки которых соединены в трехфазную систему — в звезду или треугольник. Именно так и работают мощные однофазные трансформаторы, устанавливаемые на крупных электростанциях. Они подключены к соответствующим фазам генераторов своими первичными обмотками; вторичные их обмотки, соединенные в звезду, подключены к соответствующим фазам дальней линии передачи.
Можно иметь трехфазный трансформатор и в одной единице. Магнитопровод такого трансформатора состоит из трех стержней, замыкаемых сверху и снизу ярмами (рисунок 1). На каждый из стержней насаживают по одной первичной и вторичной обмотке. Первичные обмотки соединяют в звезду или треугольник, так же соединяют и вторичные обмотки. Стержень с обмотками представляет собой однофазный трансформатор. Поэтому все, что было сказано рапсе об однофазном трансформаторе, целиком относится и к отдельной фазе трехфазного.
Рисунок 1 — Схема трехфазного трехстержневого трансформатора
В каждом стержне трехфазного трансформатора возникает магнитный поток, созданный током первичной обмотки. Но каждая первичная обмотка принадлежит одной из фаз трехфазной системы. Поэтому протекающие по обмоткам токи, так же как и приложенные напряжения, являются трехфазными, следовательно, магнитные потоки тоже трехфазные.
До сих пор мы считали, что магнитный поток обязательно замыкается, т. пройдя по стержню, проходит обратный путь к началу того же стержня. Однако в трехфазном трансформаторе такого обратного пути нет и в нем (при одинаковой нагрузке фаз) нет необходимости, как нет нужды и в нейтральном соединении в звезду.
Каждый из потоков циркулирует только по своему стержню, а все вместе они сходятся в серединах верхнего и нижнего ярм — точках D и Е. В этих точках потоки складываются, но так как они сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 120°, то складываются геометрически. Как известно, геометрическая сумма таких величин равна нулю. Значит, каждый из магнитных потоков проходит только по своему стержню, не имеет обратного пути, а сумма всех трех потоков равна нулю. Потоки крайних фаз А и С проходят не только по стержню, но и по половине верхнего и нижнего ярм. Поток средней фазы В проходит только по своему стержню. Поэтому и токи холостого хода крайних фаз всегда больше, чем ток холостого хода средней фазы.
Измерительные трансформаторы и автотрансформаторы.
Автотрансформаторы В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору: на стальном магнитопроводе помещены две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного сечения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки образуют общую обмотку высшего напряжения. Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора. Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжений автотрансформатора имеется не только магнитная, но и электрическая связь. Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на рисунке. Первичное напряжение подведено к зажимам А — х первичной обмотки с числом витков 1. Вторичной обмоткой является часть первичной а — х с числом витков 2. При холостом ходе I2 = 0, пренебрегая падением напряжения в активных сопротивлениях обмоток, можно записать уравнения равновесия эдс для первичной и вторичной обмоток: U1 = E1 = 4,44 1fФm и U2 = E2 = 4,44 2fФm. Отношение напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэффициентом трансформации автотрансформатора, т. U1/U2= 1/ 2 = n. Если вторичную обмотку автотрансформатора замкмуть на какой-либо приемник энергии, то во вторичной цепи будет проходить ток I2. Пренебрегая потерями энергии, мощность, потребляемую автотрансформатором из сети, можно принять равной мощности, отдаваемой во вторичную сеть, т. P = U1I1 = U2I2, откуда I1/I2 = 2/ 1 = 1/n. Таким образом, основные соотношения трансформатора остаются без изменения в автотрансформаторах. В общей части обмотки а — х, принадлежащей сети высшего и низшего напряжения, проходят токи I1 и I2, направленные встречно. Если пренебречь током холостого хода, величина которого очень мала то можно считать, что токи I1 и I2сдвинуты по фазе на 180 и ток I12 в части обмотки а — хравен арифметической разности токов вторичной и первичной цепей, т. I12 = I2 — I1 = I2(1 — 1/n). В понижающем автотрансформаторе ток I12 совпадает по направлению с током I2, в повышающем — направлен противоположно току I2. Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором той же полезной мощности является меньший расход активных материалов — обмоточного провода и стали, меньшие потери энергии, более высокий кпд, меньшее изменение напряжения при изменении нагрузки. Масса провода обмоток автотрансформатора меньше массы провода обмоток трансформатора при одинаковых плотностях тока. Это объясняется тем, что у трансформатора на магнитопроводе имеются две обмотки — первичная с числом витков 1, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I1, и вторичная с числом витков 2, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I2. У автотрансформатора также две обмотки, но одна из них (частьА — а) имеет число витков ( 1- 2) из провода, поперечное сечение которого рассчитано на ток I1, а другая (частьа — х) с числом витков 2 из провода, поперечное сечение которого рассчитано на разность токов I2 — I1 = I12. Поперечное сечение и масса стали магнитопровода автотрансформатора также меньше сечения и массы стали магнитопровода трансформатора. Это объясняется тем, что в трансформаторе энергия из первичной сети во вторичную передается магнитным путем в результате электромагнитной связи между обмотками. В автотрансформаторе энергия из первичной сети во вторичную частично передается путем электрического соединения первичной и вторичной сети, т. электрическим путем. Так как в процессе передачи этой энергии магнитный поток не участвует, у автотрансформатора электромагнитная мощность меньше, чем у трансформатора. Полезная мощность автотрансформатора при активной нагрузке равна: Р2 = U2I2. Имея в виду, что I2 = I1 + I12, получим: Р2 = U2I1 + U2I12 = Pэ + Pм, где Pэ — мощность, электрически поступающая во вторичную обмотку,Рм — электромагнитная мощность автотрансформатора, определяющая необходимый магнитный поток, поперечное сечение и массу стали магнитопровода. Эта мощность является расчетной или габаритной мощностью автотрансформатора. Наряду с преимуществами автотрансформаторов перед трансформаторами они имеют существенные недостатки: малое сопротивление короткого замыкания, что обусловливает большую кратность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения из-за электрической связи между этими сетями. Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применять автотрансформатор в том случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устройствах). Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем сильнее, чем коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах трансформации (n = 1 2). В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформаторы, обмотки которых обычно соединяются звездой. Измерительные трансформаторы Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Их применяют в цепях переменного тока для расширения пределов измерения измерительных приборов и для изоляции этих приборов от токопроводящих частей, находящихся под высоким напряжением. Трансформаторы напряжения конструктивно представляют собой обычные трансформаторы малой мощности. Первичная обмотка такого трансформатора включается в два линейных провода сети, напряжение которой измеряется или контролируется; во вторичную обмотку включают вольтметр или параллельную обмотку ваттметра, счетчика или другого измерительного прибора. Коэффициент трансформации трансформатора напряжения выбирают таким, чтобы при номинальном первичном напряжении напряжение вторичной обмотки было 100 В. Режим работы трансформатора напряжения подобен режиму холостого хода обычного трансформатора, так как сопротивление вольтметра или параллельной обмотки ваттметра, счетчика и т. велико и током во вторичной обмотке можно пренебречь. Включение во вторичную обмотку большого числа измерительных приборов нежелательно. Если параллельно вольтметру, включенному но вторичную обмотку трансформатора, подсоединить еще один вольтметр или параллельную обмотку ваттметра, счетчика и т. , то ток во вторичной обмотке трансформатора увеличится, что вызовет падение напряжения на зажимах вторичной обмотки, и точность показания приборов понизится. Трансформаторы тока служат для преобразования переменного тока большой величины в ток малой величины и изготовляются таким образом, чтобы при номинальном токе первичной цепи во вторичной обмотке ток был 5 А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в разрез линейного провода (последовательно с нагрузкой), ток в котором измеряется; вторичная обмотка замкнута на амперметр или на последовательную обмотку ваттметра, счетчика и т. , т. соединена с измерительным прибором, имеющим малое сопротивление. Режим работы трансформатора тока существенно отличен от режима работы обычного трансформатора. В обычном трансформаторе при изменении нагрузки магнитный поток в сердечнике остается практически неизменным, если постоянно приложенное напряжение. Если в обычном трансформаторе уменьшить нагрузку, т. силу тока во вторичной обмотке, то и в первичной обмотке сила тока понизится, и если вторичную обмотку разомкнуть, то сила тока в первичной обмотке уменьшится до тока холостого хода I0. При работе трансформатора тока его вторичная обмотка замкнута на измерительный прибор с малым сопротивлением и режим работы трансформатора близок к короткому замыканию. Поэтому магнитный поток в магнитопроводе трансформатора мал. Если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора тока, то тока в этой обмотке ие будет, тогда как в первичной обмотке ток останется неизменным. Таким образом, при разомкнутой вторичной обмотке трансформатора тока магнитный поток в магнитопроводе, возбужденный током первичной обмотки и не встречающий размагничивающего действия тока вторичной обмотки, окажется очень большим и, следовательно, эдс вторичной обмотки, имеющей большое число витков, достигает величины, опасной для целостности изоляции этой обмотки и для обслуживающего персонала. Поэтому при выключении измерительных приборов из вторичной обмотки трансформатора тока эту обмотку необходимо замкнуть накоротко. Включение большого числа измерительных приборов во вторичную обмотку трансформатора тока снижает точность измерения. Конструкции трансформаторов тока в зависимости от назначения чрезвычайно разнообразны и делятся на стационарные и переносные. Схема измерительных трансформаторов: a — напряжения, б — токаПри работе измерительных трансформаторов напряжения и тока возможен пробой изоляции их первичных обмоток и, как следствие пробоя, электрическое соединение первичной обмотки с сердечником или со вторичной обмоткой. Для безопасности обслуживания сердечники и вторичные обмотки измерительных трансформаторов заземляются. Условные обозначения измерительных трансформаторов показаны на рисунке.
Асинхронные машины.
Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.
В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.
Лёгкость в изготовлении.
Отсутствие механического контакта со статической частью машины.
Небольшой пусковой момент.
Значительный пусковой ток.
Машины постоянного тока.
Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного токаобратима.
Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный.
Различают следующие виды машин постоянного тока:
По наличию коммутации:
· с коммутацией (обычные);
· без коммутации (униполярный генератор и униполярный электродвигатель);
· по типу переключателей тока:
· с коллекторными переключателями тока (с щёточно-коллекторным переключателем);
· с бесколлекторными переключателями тока (с электронным переключателем (вентильный электродвигатель)).
· микромашины — до 500Вт;
· малой мощности — 0,5-10 кВт;
· средней мощности — 10-200 кВт;
· большой мощности — более 200 кВт.
в зависимости от частоты вращения:
· тихоходные — до 300 об. /мин
· средней быстроходности — 300—1500 об. /мин
· быстроходные — 1500-6000 об. /мин
· сверхбыстроходные — более 6000 об. /мин.
по расположению вала:
· вертикальные.
Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило предназначены, заводом изготовителем, для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя.
Электродвигатели постоянного тока стоят почти на каждом автомобиле, это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор «печки» и др.
В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «буравчика». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180 градусов, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР).
В генераторе индуктором также является статор, создающий постоянное магнитное поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках обмотки якоря, перемещающихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора, через неподвижные щетки, посредством которых обмотка соединяется с внешней сетью.
Автомобильный генератор представляет собой генератор переменного трёхфазного тока с трёхфазным выпрямителем на шести диодах по схеме академика Ларионова.
Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока
Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5. Рис
Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.
Нормальные режимы работы трансформатора
К ним относятся номинальный, оптимальный, режим холостого хода и режим параллельной работы.
Номинальный и оптимальный режим
Еще эти режимы трансформатора называют рабочими. Потому что при них напряжение и ток близки к номинальным (на которые рассчитано оборудование) условиям.
Номинальный режим – это когда ток и напряжение на первичной обмотке соответствуют номинальным показателям. Но на деле трансформатор редко работает в таких условиях. Потому что в сети происходят постоянные колебания нагрузки. При таком режиме трансформатор работает исправно. Но коэффициент полезного действия (КПД) оборудования не достигает максимума.
Оптимальный режим – это режим, при котором трансформатор имеет максимальный КПД. Как правило, максимальные КПД трансформатор показывает под нагрузкой 50-70% от номинальной. Современные силовые трансформаторы работают с КПД 90% и выше.
На деле большинство трансформаторов не работают в одном и том же режиме. Потому что нагрузка в сети непостоянная.
Холостой режим трансформатора
На холостом ходу силового трансформатора определяют коэффициент трансформации, мощность потерь в металле и параметры намагничивающей ветви схемы замещения. Для таких измерений на первичную обмотку трансформатора пускают электрический ток номинального напряжения.
А для трансформатора напряжения режим холостого хода является рабочим.
Режим параллельной работы
Два трансформатора устанавливаются в сетях, питающих энергией потребителей первой и второй категории. Важно подключить трансформаторы так, чтобы ни один из них не испытывал перегрузки.
Для этого у трансформаторов:
- должны быть одни и те же группы соединений обмоток;
- коэффициенты трансформации не должны отличаться больше, чем на 0,5 %;
- номинальные мощности должны соотноситься не более, чем один к трем;
- напряжения короткого замыкания должны различаться не более, чем на 10 %;
- должна выполняться фазировка трансформаторов.
Перегрузочный режим
Трансформатор испытывает перегрузки при воздействии нагрузок и температур выше допустимой нормы. Для каждой модели эти показатели свои. Производители силовых трансформаторов предусматривают возможность работы оборудования в условиях перегрузки. Но если устройство испытывает их продолжительное время или регулярно – это уменьшает срок службы оборудования. Допустимые перегрузки описаны в стандартах. Например, для масляных трансформаторов разработан ГОСТ 14209-97.
Аварийный режим
Трансформатор находится в аварийном режиме, если на него воздействует электрический ток, который сильно превосходит номинальные величины. Дальше давать работать оборудованию нельзя. Как правило, в трансформаторах существуют автоматические выключатели. Они отключают питание оборудования.
Признаки аварийного режима:
- громкий и неритмичный шум и треск в баке трансформатора;
- повышение температуры рабочей части трансформатора;
- утечка трансформаторного масла.
Часто аварийный режим возникает из-за короткого замыкания во вторичной обмотке. Исключение – трансформаторы тока и сварочные трансформаторы. Для них режим короткого замыкания является рабочим.
Напряжение во время короткого замыкания (КЗ) – это еще и важный показатель, который влияет на эксплуатацию трансформатора. Его измеряют в процентах. Для трансформаторов со средним показателем мощности напряжение КЗ составляет 5-7%, а для более мощных – 6-12 %.
Важно не допускать работы трансформатора в аварийном режиме вообще и ограничивать его перегрузки. В этом случае оборудование прослужит вам заявленный производителем срок.
Тема 3. 1: ТРАНСФОРМАТОРЫ
Назначение трансформаторов и их применение
Принцип действия однофазного трансформатора.
Режимы работы трансформатора. Потери и К. трансформатора.
Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение — понижающих.
Трансформаторы применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.
В соответствии с назначением различают: силовые трансформаторы для питания электрических двигателей и осветительных сетей; специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения; измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов.
По числу фаз трансформаторы делятся на одно- и трехфазные. Трансформаторы, используемые в технике связи, подразделяют на низко- и высокочастотные.
Расчетные мощности трансформаторов различны — от долей вольт-ампер до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты — от единиц герц до сотен килогерц.
Трансформатор — простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99%. КПД трансформатора, определяемый как отношение мощности на выходе Р2 к мощности на входе P1, зависит от нагрузки. Современные трансформаторы рассчитывают таким образом, что максимум КПД достигается при нагрузке, равной примерно половине номинального значения.
2 Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах, магнитопроводом может являться воздушная среда.
Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготовляют из магнитомягкого материала — трансформаторной стали, имеющей узкую петлю намагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.
Различают трансформаторы стержневого (рис. 1, а) и броневого (рис. 1, б) типов. Последний хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений. Верхнюю часть магнитопровода, называемую ярмом, крепят после насадки на стержень катушек (обмоток). Стержни и ярмо соединяют очень плотно, чтобы исключить воздушные зазоры на стыках. В маломощных трансформаторах находят широкое применение кольцевые магнитопроводы, которые собирают из штампованных колец или навивают из длинной ленты. В этих магнитопроводах отсутствует воздушный зазор, поэтому магнитный поток рассеяния мал. В трансформаторах, рассчитанных на повышенные частоты, кольцевые магнитопроводы часто прессуют из ферромагнитного порошка, смешанного с изоляционным лаком.
Обмотки трансформаторов изготовляют из медного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях, рядом или одну под другой. В последнем случае непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.
Обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка,— вторичной. На сердечнике может быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом витков, что позволяет получить различные по значению вторичные напряжения.
При работе трансформатора за счет токов в обмотках, а также вследствие перемагничивания магнитопровода и вихревых токов выделяется теплота. Трансформаторы небольшой мощности (до 10 кВА), для которых достаточно воздушного охлаждения, называют сухими.
В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение (рис. Магнитопровод 1 с обмотками 2, 3 размещается в баке 4, заполненном минеральным (трансформаторным) маслом. Масло не только отводит теплоту за счет конвекции или принудительной циркуляции, но и является хорошим диэлектриком (изолятором). Масляные трансформаторы надежны в работе и имеют меньшие размеры и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. При изменении температуры объем масла меняется. При повышении температуры излишек масла поглощается расширителем 5, а при понижении температуры масло из расширителя возвращается в основной бак.
В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, применяют скользящий контакт для изменения числа витков обмотки (примерно так же, как это делается в ползунковых реостатах). Скользящий контакт широко используется в автотрансформаторах, рассчитанных на регулирование напряжения в небольших пределах (рис.
Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.
Рассмотрим более подробно сущность процесса трансформации тока и напряжения в однофазном трансформаторе, принципиальная схема которого представлена на рис.
При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением U1 по обмотке; начнет проходить ток I1 (рис. 4), который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС E2, которую можно использовать для питания нагрузки.
Поскольку первичная и вторичная обмотки транс форматора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения индуцируемых в обмотке ЭДС можно записать в виде
где f — частота переменного тока; w1, w2 — число витков обмоток.
Поделив одно равенство на другое, получим.
Отношение чисел витков обмоток трансформатора называют коэффициентом трансформации k.
Таким образом, коэффициент трансформации показывает, как относятся действующие значения ЭДС вторичной и первичной обмоток.
На основании закона электромагнитной индукции можно написать
Поделив одно равенство на другое, получим
Следовательно, в любой момент времени отношение мгновенных значений ЭДС вторичной и первичной обмоток равно коэффициенту трансформации. Нетрудно понять, что это возможно только при полном совпадении по фазе ЭДС е1 и е2.
Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее ЭДС: U2=E2, а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки U=E1. Следовательно, можно написать, что.
Таким образом, коэффициент трансформации может быть определен на основании измерений напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора. Отношение напряжений на обмотках недогруженного трансформатора указывается в его паспорте.
Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что , где — мощность, потребляемая из сети; — мощность, отдаваемая в нагрузку.
Таким образом, , откуда
Отношение токов первичной и вторичной обмоток приближенно равно коэффициенту трансформации, поэтому ток I2 во столько раз увеличивается (уменьшается), во сколько раз уменьшается (увеличивается) U2.
4 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Существует пять характерных режимов работы трансформатора:
Режим холостого хода;
Режим короткого замыкания.
РАБОЧИЙ РЕЖИМ характеризуется следующими признаками:
Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему U1≈U1ном;
Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему I1≤I1ном.
В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.
Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.
НОМИНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ — характерные признаки:
Напряжение первичной обмотки равно номинальному U1=U1ном;
Ток первичной обмотки равен номинальному I1=I1ном.
Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но, как правило, с бóльшими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД (коэффициентом полезного действия). Из-за этого при эксплуатации трансформатора его избегают.
ОПТИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ характеризуется условием:
где Pхх — потери холостого хода;
Pкз — потери короткого замыкания;
kнг — коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:
где I2 — ток нагрузки вторичной обмотки;
I2ном — номинальный ток вторичной обмотки.
В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД.
РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА — характерные признаки:
Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки трансформатора;
К первичной обмотке приложено напряжение U1хх= U1ном;
Ток вторичной обмотки I2≈0.
РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ характеризуется:
Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;
К первичной обмотке приложена такая величина напряжения U1, что ток первичной обмотки равен её номинальному току I 1= I 1ном.
Напряжение вторичной обмотки U2=0.
Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов.
В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Эти потери разделяются на электрические и магнитные:
Электрические потери обусловлены нагревом обмоток трансформатора при прохождении по ним электрического тока. Их мощность Рэ равна сумме потерь в первичной обмотке Рэ1 и во вторичной обмотке Рэ2:
Рэ = Рэ1+Рэ2.
Электрические потери называют переменными, т. их величина зависит от нагрузки трансформатора. При номинальном токе для мощных трансформаторов они обычно составляют (0,5÷2)% номинальной мощности. Уменьшение электрических потерь достигается соответствующим выбором площади сечения проводов обмоток трансформатора (снижение электрических потерь в проводах).
Магнитные потери происходят главным образом в магнитопроводе трансформатора. Причина этих потерь — систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Их мощность Рм равна сумме потерь от гистерезиса Рг и от вихревых токов Рв.
Рм = Рг+Рв.
Магнитные потери для мощных трансформаторов составляют (0,3÷0,5)% номинальной мощности. С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора изготовляют из электротехнической стали (снижение потерь от перемагничивания) и делают его шихтованным в виде пакетов из тонких пластин, изолированных с двух сторон (снижение потерь от вихревых токов).
Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе вторичной обмотки Р2 (полезная мощность) к активной мощности на входе первичной обмотки Р1 (подводимая мощность):
Ƞ = Р2/Р1=Р2/(Р2+Рэ+Рм).
Благодаря отсутствию в трансформаторе вращающихся и трущихся деталей потери энергии в нём по сравнению с вращающимися машинами малы, а КПД высок и достигает в трансформаторах большой мощности (0,98÷0,99). В трансформаторах малой мощности КПД достигает (0,5÷0,7). Максимальное значение КПД трансформатор имеет при такой нагрузке, когда электрические потери Рэ равны магнитным потерям Рм.
Режимы работы трансформатора
При работе трансформатора выделяют три основных режима: режим холостого хода, режим короткого замыкания и режим работы под нагрузкой.
В режиме холостого хода трансформатор работает при сопротивлении нагрузки, равном бесконечности, т. при разомкнутой вторичной обмотке. В этом режиме ток, протекающий во вторичной обмотке, равен нулю (/2 = 0), отсутствуют потери на нагрев и потоки рассеяния во вторичной обмотке. Кроме того при /2 = 0 магнитный поток вторичной обмоткой не создается (Ф2 = 0, см. рис. 5), следовательно, суммарный поток Фс = — Ф2 имеет максимальное значение. ЭДС самоиндукции в первичной обмотке также максимальна, следовательно, ток в первичной обмотке — минимален. В этом случае потерями энергии в первичной обмотке можно пренебречь. Основными в режиме холостого хода являются потери в магнитопроводе.
В режиме холостого хода напряжение на первичной обмотке равно приведенному напряжению на вторичной: Ux = nU2 = U2, где t/j — напряжение на первичной обмотке; п — коэффициент трансформации; U2 — напряжение на вторичной обмотке; U2 — приведенное напряжение на вторичной обмотке.
Режим холостого хода является испытательным режимом трансформатора. В этом режиме определяют реальный коэффициент трансформации и потери энергии в сердечнике.
В режиме короткого замыкания ток во вторичной обмотке будет ограничен только малым сопротивлением обмотки и, следовательно, будет максимальным. Максимальным будет и магнитный поток, создаваемый вторичной обмоткой (Ф2, см. рис. Тогда суммарный поток Фс = Ф, — Ф2 будет минимальным и, следовательно, минимальными будут ЭДС самоиндукции обмоток.
Токи в первичной и вторичной обмотках будут гораздо выше номинального значения, на которое рассчитаны обмотки при работе на нагрузке. Чтобы обмотки не сгорели, необходимо снижать входное напряжение трансформатора до уровня, когда токи будут равны номинальным.
Ввиду того что магнитный поток имеет в режиме короткого замыкания минимальное значение, а токи — максимальное, основным видом потерь энергии в трансформаторе можно считать потери в меди (потерями в магнитопроводе можно пренебречь). Также как и режим холостого хода, режим короткого замыкания является испытательным.
Работа трансформатора на нагрузке (см. рис. 5) является штатным режимом работы. Конструкция трансформатора должна быть такой, чтобы при заданном напряжении на первичной обмотке Ux обеспечить требуемое напряжение на вторичной U2 и номинальный ток нагрузки /2н, т. требуемую выходную мощность.
Режим короткого замыкания
В процессе работы трансформатора иногда возникают ситуации, когда его вторичная обмотка оказывается замкнутой. В этом случае в ней возникает ток, превышающий номинальный в десятки раз. В этом случае говорят о работе трансформатора в режиме короткого замыкания. Данный режим является аварийным и недопустимым, так как вследствие перегрева обмоток трансформатора происходит их разрушение. Таки образом, режим короткого замыкания характеризуется следующими параметрами напряжения и тока
Для испытания трансформатора и определения некоторых его параметров проводят опыт короткого замыкания, при котором вторичную обмотку замыкают, а на первичную обмотку подают такое напряжение, что во вторичной обмотке устанавливается номинальный ток. В таком случае напряжение на первичной обмотке называется нормальным напряжением короткого замыкания. Величину данного напряжения в параметрах трансформатора обычно выражают в процентах от номинального напряжения первичной обмотки
где UКЗ – нормальное напряжение короткого замыкания,
UH – номинальное напряжение на первичной обмотки.
«Нормальное» короткое замыкание
В виду того, что нормальное напряжение короткого замыкания UКЗ составляет несколько процентов (обычно 1-3%), то и противодействующая ей ЭДС самоиндукции Е1 в первичной обмотке так же имеет незначительное значение. Соответственно и электромагнитная индукции и потери в сердечнике будут незначительными, то есть в практических расчётах их можно не учитывать. Ниже приведена эквивалентная схема замещения трансформатора в режиме «нормального» короткого замыкания
Эквивалентная схема замещения трансформатора в режиме «нормального» короткого замыкания.
Так как мощность, подводимая к трансформатору, тратится в основном на преодоление сопротивления провода обмоток, то параметры магнитного контура трансформатора можно не учитывать. Тогда параметры трансформатора можно описать следующими выражениями
где РКЗ – мощность при коротком замыкании,
IКЗ – ток короткого замыкания,
RК – суммарное сопротивление первичной и вторичной обмоток.
Так как в данном режиме по обмоткам протекают номинальные токи, то и температура обмоток также будет соответствовать рабочей, поэтому для определения реальной величины сопротивления обмоток необходимо сопротивление короткого замыкания полученное опытным путем пересчитать с учетом температурного коэффициента сопротивления и условной температуры 75 °С.
Опыт короткого замыкания
Как я уже говорил в предыдущей статье, изготовленный трансформатор подвергают двум основным испытаниям: опыту холостого хода и опыту короткого замыкания. Первое испытание я рассмотрел в предыдущей статье, а для второго собирают схему изображенную ниже
Схема опыта короткого замыкания.
Как видно на схеме в цепь первичной обмотки трансформатора включены вольтметр PV1, амперметр РА1 и ваттметр PW1, а вторичная обмотка замкнута накоротко. Для снятия характеристик трансформатора в этом режиме на первичную обмотку трансформатора подают такое напряжение UКЗ, при котором ток IКЗ в обмотке соответствовал номинальному току. После того как трансформатор прогреется в течении нескольких минут снимают показания с приборов.
Для построения графической характеристики короткого замыкания снимают параметры при изменении напряжения на первичной обмотке от 30 до 110 % UКЗ.
При проведении опыта короткого замыкания определяют следующие параметры трансформатора:
— процентное отношение напряжения короткого замыкания UКЗ%
где UКЗ – «нормальное» напряжение короткого замыкания,
UН – номинальное напряжение первичной обмотки.
— активное сопротивление обмоток трансформатора RК
где РКЗ – мощность, снимаемая с ваттметра PW1,
IКЗ – ток короткого замыкания, снимаемая с амперметра РА1.
— полное сопротивление обмоток трансформатора ZK
где UКЗ – «нормальное» напряжение короткого замыкания, снимаемое с вольтметра PV1.
— реактивное сопротивление обмоток трансформатора ХК
— коэффициент мощности короткого замыкания cos φКЗ
Мощность, подводимая к трансформатору при проведении опыта короткого замыкания для силовых трансформаторов, составляет 1 – 4 % от номинальной мощности трансформатора. При этом, чем больше номинальная мощность трансформатора, тем меньше мощность при проведении опыта короткого замыкания, то есть меньше потери в обмотках.
Коэффициент полезного действия трансформатора
Одной из основных характеристик любого преобразовательного устройства и трансформатора, в частности, является коэффициент полезного действия или сокращенно КПД.
Коэффициентом полезного действия трансформатора (КПД) η называется отношение активной мощности отдаваемой трансформатором Р2 к активной мощности подаваемой на трансформатор Р1
КПД трансформатора можно определить несколькими способами: прямым измерением мощностей и косвенным.
Прямой метод вычисления КПД заключается в измерении отдаваемой Р2 и поступаемой Р1 мощностей при полной нагрузке трансформатора и взятии их отношения. Однако такой метод не нашёл применения из-за неэкономичности, так как необходимо использовать большое количество энергии при испытаниях трансформаторов.
На практике чаще используют косвенный метод, заключающийся в определении потерь в сердечнике РС из опыта холостого хода, а потерь в обмотке (потерь в меди) РМ из опыта короткого замыкания. Тогда подводимая к трансформатору мощность составит
Соответственно КПД определяют по следующему выражению
Так как отдаваемая мощность Р2 трансформатора имеет как активную так и реактивную составляющую, соотношение между которыми определяется коэффициентом мощности cos φ, то КПД трансформатора составит
где U2 – номинальное напряжение вторичной обмотки, определяемое из опыта холостого хода,
I2 – номинальный ток вторичной обмотки, определяемое из опыта короткого замыкания,
РС – потери мощности в сердечнике трансформатора,
РМ – потери мощности в обмотках трансформатора.
Стоит отметить, что потери мощности в опыте холостого хода и опыте короткого замыкания желательно измерять у предварительно прогретого трансформатора или пересчитывать токи и напряжения с учётом нормальной температуры работы Т = 75 °С.
Со следующей статьи я буду рассказывать, как рассчитывать различные типы трансформаторов, которые чаще всего используют.
§ 48. Устройство и работа трансформаторов тока
Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно с нагрузкой, а вторичная обмотка — на неизменное сопротивление z2 (рис. 48-1). Если в обычном силовом трансформаторе I1=f(I2), то в трансформаторе тока I2=φ(I1). Если в силовом трансформаторе при разомкнутой вторичной обмотке в цепи первичной будет протекать ток холостого хода, то в трансформаторе тока размыкание цепи вторичной обмотки не влияет на первичный ток. В этом случае из-за отсутствия размагничивающего потока вторичной обмотки магнитная индукция в сердечнике от 800—1000 гс для нормального режима достигает насыщения, а э. вторичной обмотки мо?кет достигнуть нескольких сотен вольт (рис. 48-2). Кроме того, работа трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой вызывает значительное увеличение потерь в стали сердечника, что приводит к его разогреву. Таким образом, работа трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой недопустима. При снятии приборов из цепи вторичной обмотки трансформатора тока последняя должна быть закорочена.
Компенсация погрешности трансформатора тока основана на искусственном повышении магнитной проницаемости стали сердечника на участке рабочей характеристики. Повышение магнитной проницаемости уменьшает намагничивающие ампервитки, создающие магнитный поток Ф0, а это приводит к уменьшению погрешности. Компенсация осуществляется противонамагничиванием и при помощи магнитного шунта (рис. 48-4). Рис. 48-3. Схема отмотки части витков
Рис. 48-4. Принципиальная схема многовиткового трансформатора тока с самоподмагничиванием
Компенсация противонамагничиванием или самоподмагничиванием осуществляется таким образом, что последовательно с общей вторичной обмоткой, охватывающей оба сердечника, соединяются дополнительные обмотки, охватывающие лишь один сердечник. Первичная обмотка охватывает также оба сердечника, но в окне сердечника II. Число витков первичной обмотки будет на один меньше (см. рис. 48-4). Намагничивающие силы обмоток сердечников I и II будут
В сердечнике I будет преобладать н. первичной обмотки, а в сердечнике II — н. вторичной обмотки. Намагничивающие силы ΘI и ΘII и соответствующие магнитные потоки ФI и ФII будут в противофазе, поэтому результирующая н. Θ0 будет меньше отдельных составляющих ΘI и ΘII.
Рис. 48-5. Характеристики токовой погрешности трансформаторов тока:
1 — без подмагничивания; 2 — с подмагничиванием
Рис. 48-6. Устройство стального сердечника трансформатора тока с магнитным шунтом
Таким образом, представляется возможным довести индукцию в сердечниках до максимального значения магнитной проницаемости. Это позволяет уменьшить сечение сердечника и получить достаточно пологую характеристику погрешности (рис. 48-5). Компенсация магнитными шунтами (метод МЭИ)* по принципу действия аналогична методу подмагничивания (рис. 48-6). Здесь вторичные обмотки на стержнях I и II разделены на две неравные части. Намагничивающие силы обмоток I и II находятся в противофазе аналогично трансформатору с двумя сердечниками (см. рис. 48-4). Магнитный шунт эффективно действует до его насыщения, т. в пределах первичных токов до 10-50%. Компенсированные трансформаторы тока предназначены для присоединения измерительных приборов, но не для релейной защиты. Релейная защита в условиях коротких замыканий работает при токах, во много раз превышающих номинальный ток трансформатора. В этом случае за счет большого тока намагничивания сердечник работает в условиях, близких к насыщению. Для обеспечения правильной работы релейной защиты при к. погрешность по току не должна превосходить 10%. В соответствии с этим требованием для всех типов трансформатора тока существуют 10%-ные кратности тока к.
Чтобы релейная защита работала в пределах 10%-ной погрешности, для каждого значения кратности тока к. по отношению к номинальному току первичной обмотки трансформатора должно быть определено значение сопротивления в цепи вторичной обмотки (рис. 48-7). При выборе трансформаторов тока, кроме коэффициента трансформации и погрешности, необходимо учитывать и устойчивость трансформаторов к токам короткого замыкания. Электродинамическая устойчивость трансформатора ток а характеризуется коэффициентом динамической кратности
(48-5), где макс — амплитуда максимального тока.
Рис. 48-7. Характеристика 10%-ных кратностей:
1 — трансформатор ТПФМ, класс 0,5; 2 — трансформатор ТПФМУ, класс 0,5
Термическая устойчивость трансформаторов тока характеризуется коэффициентом термической устойчивости
(48-6)
где I1 сек — максимальное значение неизменного тока, который в течение 1 сек нагревает обмотки трансформатора до предельно допустимой температуры.
Работа трансформатора в режиме короткого замыкания
Коротким замыканием называется такой предельный режим работы трансформатора, когда к первичной обмотке подведено какое-либо напряжение, а вторичная обмотка замкнута накоротко, следовательно, вторичное напряжение и2 равно нулю.
В условиях эксплуатации, когда к трансформатору подведено номинальное напряжение, короткое замыкание является аварийным режимом, так как при этом в обмотках возникают токи, в 10—20 раз превышающие их номинальное значение. Эти токи резко повышают температуру обмотки, а электромагнитные силы значительно возрастают. Поэтому трансформатор должен обладать необходимой механической и термической прочностью. В его схеме должна быть предусмотрена защита, способная отключить от сети короткозамкнутый трансформатор.
Опыт короткого замыкания, когда к первичной обмотке подводится пониженное напряжение 11К, при котором токи в обмотках равны номинальным, дает возможность определить напряжение короткого замыкания ?/к; мощность, идущую на покрытие потерь при коротком замыкании Рк; параметры короткого замыкания гк, хк и гк.
На рис. 25 схематически изображен однофазный трансформатор, работающий в режиме короткого замыкания.
Рис. Схема при испытании трансформатора в режиме короткого замыкания
Подведем к зажимам первичной обмотки А—Х напряжение и1к, при котором токи в обмотках равны номинальным. Это напряжение, выраженное в процентах от номинального напряжения соответствующей обмотки, называется напряжением короткого замыкания, т. ик(ек) = (6гік/6гном)100%.
Составим в комплексной форме уравнения для первичной и вторичной обмоток трансформатора, пользуясь уравнениями равновесия ЭДС
йк — К + ^,
- — ГгГг = 0.
- (4.13)
Уравнение МДС запишется следующим образом:
Сократив обе части равенства на щ, так как = уг2, получим уравнение токов
Так как Іїк составляет 5—10% номинального напряжения, то основной поток в сердечнике трансформатора Фк и необходимая для его создания намагничивающая составляющая МДС /ххи>і очень малы. Поэтому ими можно пренебречь. Тогда уравнение токов трансформатора при коротком замыкании запишется в виде
/1 + /2′ = 0 или (4. 15)
Для реального трансформатора также справедливо равенство (4. 14), которое примет следующий вид:
/2 и>, *т
Параметры и мощности потерь при коротком замыкании. Было установлено (4. 15), что при коротком замыкании /1 = /’, поэтому уравнение электрического равновесия трансформатора принимает следующий вид:
‘*к=’1+’*2, *К=*1+*2 и ^к=Гк+Ак
называются параметрами короткого замыкания трансформатора.
Для определения параметров короткого замыкания производят опыт короткого замыкания, из которого определяют его напряжение, ток и мощность (ІІК, 1 и Рк).
При коротком замыкании напряжение и2 = 0 и полезная мощность трансформатора Р2 = и212сощ2 = 0, т. трансформатор не совершает полезной работы. Поэтому мощность Рк = икІіС05(рк, которую трансформатор потребляет при коротком замыкании, расходуется на покрытие потерь, состоящих из потерь в проводниках (меди) первичной И вторичной обмоток ірм 1 и ри2). Потерями в стали (рс) пренебрегают потому, что при опыте короткого замыкания напряжение 11 уменьшается в 20—30 раз по сравнению с опытом холостого хода, и потери в стали рс уменьшаются в 400—900 раз.
Д = Рщ + Рщ = А2′! + >1Г1 = /і2’! + І’їгї = ЛЧ-
Параметры короткого замыкания определяются по формулам
