6.6. Работа трансформатора под нагрузкой. Работа трансформатора без нагрузкиТрансформаторКомпьютерная программа иллюстрирует принцип действия трансформатора. Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная. Различают два режима работы трансформатора. 1. Трансформатор на холостом ходу (нагрузка отсутствует) При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность. Если полную ЭДС индукции, возникающую в первичной обмотке (имеющей N1 витков) обозначить как ε1, а полную ЭДС индукции, возникающую во вторичной обмотке (N2 витков) как ε2, то имеет место следующее соотношение: Активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен модулю ЭДС индукции. Величина K называется коэффициентом трансформации. При K > 1 трансформатор является понижающим, а при K < 1 – повышающим. 2. Работа нагруженного трансформатора Если к концам вторичной обмотки присоединить нагрузку, потребляющую электроэнергию, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который по правилу Ленца должен уменьшить изменения магнитного потока в сердечнике. Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно уменьшить и ЭДС индукции в первичной обмотке. Но это невозможно, так как модуль напряжения на зажимах первичной катушки по прежнему приблизительно равен модулю ЭДС индукции. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом, чтобы восстановить прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, приблизительно равна мощности во вторичной цепи: Отсюда: Таким образом, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот). Компьютерная программа моделирует два режима работы трансформатора.
В режиме холостого хода модель позволяет проводить эксперимент, изменяя число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора, напряжение на первичной обмотке (напряжение на вторичной обмотке изменяется автоматически, в соответствии с выбранными пользователем параметрами). В режиме нагруженного трансформатора можно изменять число витков первичной и вторичной обмотки, напряжение на первичной обмотке, сопротивление нагрузки. Выводятся значения напряжения на вторичной обмотке, а также силы тока в первичной и вторичной обмотках. files.school-collection.edu.ru 6. Работа трансформатора под нагрузкойРабота трансформатора зависит от типа нагрузки на вторичной обмотке трансформатора. Нагрузка может быть двух видов: активно-индуктивная и активно-емкостная. Теоретически может быть чисто активная. В зависимости от нагрузки вектор тока I2’ может отставать от ЭДС E2’ на угол ф2, который называется вторичным углом нагрузки. Если нагрузка активно-емкостная, то I2’ опережает ЭДС E2’ на угол нагрузки ф2. Из схемы замещения известно, что I0=I1+I2’; I1=I0-I2’. Для того чтобы определить ток, проводим вектор, параллельный вектору I2’ и равный ему по величине. Соединяем конец вектора I2’ с началом координат. Так как в режиме нагрузки ток протекает по первичным и вторичным обмоткам трансформатора, напряжение будет отличаться от ЭДС. U1 = E1 + r1I1 + jx1I1 U2 = E2’ – r2’I2’ – jx2’I2’ Строим векторы напряжения. Сначала U1. Для этого из конца вектора E1проводим вектор, параллельный вектору тока I1 и равный r1I1. Из конца этого вектора r1I1 перпендикулярно проводим jx1I1. Активно-индуктивная нагрузка. Активно-ёмкостная нагрузка. Из векторной диаграммы видно, что напряжение U1 не зависит от типа нагрузки и всегда опережает ЭДС E1. Напряжение U2 всегда отстает от ЭДС E2’ и не зависит от типа нагрузки, зато от типа нагрузки зависят угол опережения напряжения U1 и угол отставания напряжения U2. Угол между током I1 и ЭДС E1 обозначается ф1 и называется первичным углом нагрузки. Ток I2’ – ток нагрузки – зависит от величины активной и реактивной составляющих. Если изменить активную составляющую тока нагрузки I2’, изменяется и по длине и по амплитуде ф1. При изменении реактивной составляющей тока I2’ изменяется угол ф2, а длина вектора остается прежней.
Внешняя характеристика и кпд трансформатора.η = (P1 – P0 – Pк) / P1 = 1 – [(P0 – Pк) / P1]
7. Потери и коэффициент полезного действия трансформатораВажной величиной, характеризующей экономичность работы трансформатора, являетсякоэффициент полезного действия (КПД), равный отношению активной мощности, отдаваемой трансформатором во вторичную сеть Р2, к активной мощности Р1, потребляемой из сети:
Первичная активная мощность определяется суммой, которая включает активную мощность Р2, магнитные потери Рм(потери в стали), электрические потери в первичной и вторичной обмотках Рэ1,Рэ2:
В современных силовых трансформаторах КПД достигает 0,98—0,995, причем максимальные значения КПД получаются при (0,45—0,65)Р2ном. Такая нагрузка обычно соответствует средней нагрузке при эксплуатации трансформатора. Отметим, что в диапазоне нагрузок (0,4—1,5)Р2ном КПД трансформатора изменяется относительно мало. 8. Для трансформирования энергии в трехфазных системах используют либо группу из трех однофазных трансформаторов (именно так и работают мощные однофазные трансформаторы, устанавливаемые на крупных электростанциях), у которых первичные и вторичные обмотки соединяются звездой или треугольником, либо один трехфазный трансформатор с общим магнитопроводом. Устройство трехфазного трансформатораТрехфазные трансформаторы могут иметь различные схемы соединения первичных и вторичных обмоток. Все начала первичных обмоток трансформатора обозначают большими буквами: А, В, С; начала вторичных обмоток — малыми буквами: а, Ь, с. Концы обмоток обозначаются соответственно: X, У, Z и х, у, z. Зажим выведенной нулевой точки при соединении звездой обозначают буквой О. Наибольшее распространение имеют соединения обмоток по схеме «звезда» (Y) и «треугольник» (D), причем первичные и вторичные обмотки могут иметь как одинаковые, так и различные схемы. Если при соединении обмоток «звездой» нулевая точка выводится, то такое соединение называют «звезда c нулем» (Yо). Самым простым и дешевым из них является соединение обеих обмоток трансформатора звездой (Y/Y), при котором каждая из обмоток и ее изоляция (при глухом заземлении нейтральной точки) должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток; так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то, следовательно, соединение обмоток звездой требует в каждой из обмоток меньшего количества витков, но большего сечения проводников с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное напряжение. Схема трехфазного трансформатора На рисунке приведено устройство трехфазного трансформатора при соединении обеих обмоток звездой (Y/Y). Такое соединение широко применяют для трансформаторов небольшой и средней мощности (примерно до 1800 кВ-А). Соединение звездой является наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем относительно дороже обходится соединение обмоток треугольником. Соединение обмоток треугольником конструктивно удобнее при больших токах. По этой причине соединение Y/D широко применяется для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтрального провода. При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений U1ф/U2ф всегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток w1/w2; что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа соединения обмоток трансформатора. При одинаковом способе соединения (Y/Y или D/D) отношение линейных напряжений также равно коэффициенту трансформации. Однако при различном способе соединения (Y/D или D/Y) отношение линейных напряжений меньше или больше этого коэффициента в √3 раз. Это дает возможность регулировать вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим изменением способа соединения его обмоток. 12. Пик-трансформатор — электрический трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение переменной полярности той же частотыПик-трансформаторы применяются для преобразования синусоидального напряжения в импульсы пикообразной формы. Такие импульсы напряжения с крутым фронтом необходимы для управления тиристорами либо другими полупроводниковыми или электронными устройствами.Принцип работы пик-трансформатора основан на явлении магнитного насыщения ферромагнитного материала. 11. Условия включения трансформаторов на параллельную работу В некоторых электроустановках трансформаторы работают параллельно на общую нагрузку. При этом проще решаются вопросы надежного электроснабжения потребителей; при сезонных и суточных изменениях нагрузки можно отключить часть трансформаторов, снижая потери электрической энергии; упрощается организация профилактических ремонтных работ и т.п. При включении трансформаторов на параллельную работу необходимо, чтобы в режиме холостого хода в их обмотках не возникали уравнительные токи, а при нагрузке общая нагрузка распределялась между ними пропорционально их номинальным мощностям. Для этого требуется соблюдение следующих условий: 1) равенство номинальных первичных и вторичных напряжений, например, для двух параллельно работающих трансформаторов. U1I = U1II, U2I = U2II, т.e. трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации kI = kII. Практически допускается разница в коэффициентах трансформации не более ± 1,0%; 2) тождественность групп соединения обмоток, что обеспечивает совпадение по фазе одноименных вторичных напряжений; 3) равенство напряжений короткого замыкания UкI% = UкII%. Допускается отклонение напряжения короткого замыкания Uк% каждого трансформатора от среднеарифметического значения напряжений короткого замыкания всех трансформаторов не более чем на ± 10%; 4) рекомендуется включать на параллельную работу трансформаторы, отличающиеся по мощности не более чем в 3 раза. При соблюдении первых двух условий исключается появление уравнительного тока при холостом ходе параллельно работающих трансформаторов Iур=DU/(ZкI + ZкII), (1) где DU - векторная разность вторичных напряжений трансформаторов при холостом ходе; ZкI , ZкII - сопротивления короткого замыкания трансформаторов. Уравнительный ток обусловливает неравномерную нагрузку трансформаторов, сопровождающуюся увеличением потерь мощности и нагрева. Третье условие необходимо соблюдать для распределения нагрузки между трансформаторами пропорционально их номинальным мощностям. Если напряжения Uк% трансформаторов не равны, то перегружается трансформатор с меньшим значением Uк%, т.е. с меньшим сопротивлением Zк. Распределение нагрузки между двумя трансформаторами можно оценить из выражения: (SI/SII) = (SномI/SномII)·(UкII%/UкI%), (2) где SI, SII - мощности нагрузки параллельно работающих трансформаторов; SномI, SномII - номинальные мощности трансформаторов. Таким образом, как следует из (2), мощность нагрузки SI и SII между параллельно работающими трансформаторами распределяется обратно пропорционально их напряжениям короткого замыкания UкI% и UкII%. Мощность нагрузки параллельно работающего трансформатора можно определить по формуле: SI = Sнг SномI UкII%/(SномI UкII% + SномII UкI%), (3) где Sнг = SI + SII - мощность общей нагрузки трансформаторов.
С целью уменьшения потерь в меди, мощные асинхронные и синхронные двигатели (в диапазоне мощностей от 0.4 МВт до 40 МВт и выше, до 100МВт) работают уже напрямую от сетей среднего напряжения (обычно 6 или 10 кВ). В тоже время революция в силовой микроэлектронике позволила создать массовый, недорогой и надежный преобразователь частоты низкого напряжения, тогда как качественный частотный привод среднего напряжения умели делать немногие, а если и умели, то делали это за большие деньги, которые медленно окупались. Поэтому до сих пор , в лучшем случае, применяется громоздкая, дорогая и неэффективная схема: понижающий трансформатор->преобразователь частоты низкого напряжения->синусный фильтр->повышающий трансформатор->двигатель, тогда как 97% установленных двигателей среднего напряжения работают на постоянной скорости, производительность которых регулируется неэффективными механическими устройствами - направляющими аппаратами, заслонками, шиберами, расходующими огромное количество энергии. Рис.1. Назначение преобразователей частоты Однако за дело берется Delta Electronics, транснациональная корпорация с 80 тыс. работающими в 31 стране мира и с оборотом 6.6 млрд долларов, №1 по производству источников питания. Три года назад Delta Electronics открывает выделенное подразделение ( бизнес юнит) и строит новый завод для преобразователей частоты среднего напряжения. 10. Схемы соединений обмоток трехфазных трансформаторов Трехфазный трансформатор имеет две трехфазные обмотки - высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения, в каждую из которых входят по три фазные обмотки, или фазы. Таким образом, трехфазный трансформатор имеет шесть независимых фазных обмоток и 12 выводов с соответствующими зажимами, причем начальные выводы фаз обмотки высшего напряжения обозначают буквами A, B, С, конечные выводы - X, Y, Z, а для аналогичных выводов фаз обмотки низшего напряжения применяют такие обозначения: a,b,c,x,y,z. В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяют либо в звезду -Y, либо в треугольник - Δ (рис. 1). Выбор схемы соединений зависит от условий работы трансформатора. Например, в сетях с напряжением 35 кВ и более выгодно соединять обмотки в звезду и заземлять нулевую точку, так как при этом напряжение проводов линии передачи будет в √3 раз меньше линейного, что приводит к снижению стоимости изоляции.
Рис.1 Осветительные сети выгодно строить на высокое напряжение, но лампы накаливания с большим номинальным напряжением имеют малую световую отдачу. Поэтому их целесообразно питать от пониженного напряжения. В этих случаях обмотки трансформатора также выгодно соединять в звезду (Y), включая лампы на фазное напряжение. С другой стороны, с точки зрения условий работы самого трансформатора, одну из его обмоток целесообразно включать в треугольник (Δ ). Фазный коэффициент трансформации трехфазного трансформатора находят, как соотношение фазных напряжений при холостом ходе: nф = Uфвнх / Uфннх, а линейный коэффициент трансформации, зависящий от фазного коэффициента трансформации и типа соединения фазных обмоток высшего и низшего напряжений трансформатора, по формуле: nл = Uлвнх / Uлннх. Если соединений фазных обмоток выполнено по схемам "звезда-звезда" (Y/Y) или "треугольник-треугольник" (Δ/Δ), то оба коэффициента трансформации одинаковы, т.е. nф = nл. При соединении фаз обмоток трансформатора по схеме "звезда - треугольник" (Y/Δ) - nл = nф√3, а по схеме "треугольник-звезда" (Δ / Y) - nл = nф /√3 Группы соединений обмоток трансформатора Группа соединений обмоток трансформатора характеризует взаимную ориентацию напряжений первичной и вторичной обмоток. Изменение взаимной ориентации этих напряжений осуществляется соответствующей перемаркировкой начал и концов обмоток. Стандартные обозначения начал и концов обмоток высокого и низкого напряжения показаны на рис.1. Рассмотрим вначале влияние маркировки на фазу вторичного напряжения по отношению к первичному на примере однофазного трансформатора (рис. 2 а).
Рис.2 Обе обмотки расположены на одном стержне и имеют одинаковое направление намотки. Будем считать верхние клеммы началами, а нижние - концами обмоток. Тогда ЭДС Ё1 и E2 будут совпадать по фазе и соответственно будут совпадать напряжение сети U1 и напряжение на нагрузке U2 (рис. 2 б). Если теперь во вторичной обмотке принять обратную маркировку зажимов (рис. 2 в), то по отношению к нагрузке ЭДС Е2 меняет фазу на 180°. Следовательно, и фаза напряжения U2 меняется на 180°. Таким образом, в однофазных трансформаторах возможны две группы соединений, соответствующих углам сдвига 0 и 180°. На практике для удобства обозначения групп используют циферблат часов. Напряжение первичной обмотки U1 изображают минутной стрелкой, установленной постоянно на цифре 12, а часовая стрелка занимает различные положения в зависимости от угла сдвига между U1 и U2. Сдвиг 0° соответствует группе 0, а сдвиг 180° - группе 6 (рис. 3).
Рис.3 В трехфазных трансформаторах можно получить 12 различных групп соединений обмоток. Рассмотрим несколько примеров. Пусть обмотки трансформатора соединены по схеме Y/Y (рис. 4). Обмотки, расположенные на одном стержне, будем располагать одну под другой. Зажимы А и а соединим для совмещения потенциальных диаграмм. Зададим положение векторов напряжений первичной обмотки треугольником АВС. Положение векторов напряжений вторичной обмотки будет зависеть от маркировки зажимов. Для маркировки на рис. 4а, ЭДС соответствующих фаз первичной и вторичной обмоток совпадают, поэтому будут совпадать линейные и фазные напряжения первичной и вторичной обмоток (рис. 4, б). Схема имеет группу Y/Y - О.
Рис. 4 Изменим маркировку зажимов вторичной обмотки на противоположную (рис. 5. а). При перемаркировке концов и начал вторичной обмотки фаза ЭДС меняется на 180°. Следовательно, номер группы меняется на 6. Данная схема имеет группу Y/Y - б.
Рис. 5 На рис. 6 представлена схема, в которой по сравнению со схемой рис 4 выполнена круговая перемаркировка зажимов вторичной обмотки (а→b , b→c, с→a). При этом фазы соответствующих ЭДС вторичной обмотки сдвигаются на 120° и, следовательно, номер группы меняется на 4.
Рис. 6
Рис. 7 Схемы соединений Y/Y позволяют получить четные номера групп, при соединении обмоток по схеме Y/Δ номера групп получаются нечетными. В качестве примера рассмотрим схему, представленную на рис. 7. В этой схеме фазные ЭДС вторичной обмотки совпадают с линейными, поэтому треугольник аbс поворачивается на 30° против часовой стрелки по отношению к треугольнику АВС. Но так как угол между линейными напряжениями первичной и вторичной обмоток отсчитывается по часовой стрелке, то группа будет иметь номер 11. Из двенадцати возможных групп соединений обмоток трехфазных трансформаторов стандартизованы две: Y/Y - 0 и Y/Δ-11. Они, как правило, и применяются на практике. 9. Устройство трехфазного магнитопровода требует предварительного принципиального обоснования. Электрическая энергия в промышленных целях получается и используется в виде главным образом трехфазной системы переменного тока. Трехфазная система представляет собой систему трех однофазных переменных э. д. с, имеющих одинаковую частоту и сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол 120°, т. е. на V8 периода. Очевидно, что трансформация трехфазного тока возможна тремя отдельными однофазными трансформаторами, каждая из обмоток которых соединена в одну из трехфазных схем (в звезду или в треугольник). Но, как это показал в 1891 г. русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский, трансформация при трехфазной системе возможна также одним трехфазным трансформатором, имеющим общую магнитную цепь для трех фаз. Трехфазный магнитопровод может быть получен путем совмещения трех однофазных стержневых магнитопроводов в один общий магнитопровод с некоторым дальнейшим преобразованием его формы. Для этого нужно взять три однофазных стержневых магнитопровода с одним стержнем, несущим обмотки, и сложить их вместе необмотанными (свободными) стержнями (рис. 11.4, а). Для простоты рисунка каждый магнитопровод показан одной жирной линией. Так как магнитные потоки во всех магнитопроводах синусоидальны по форме, равны между собой и сдвинуты на 120°, то на основании формулы суммы синусов sin a + sin (а + 120°) + sin (а + 240°) = 0 сумма потоков в примыкающих друг к другу стержнях равна нулю и поэтому эти стержни можно отнять за ненадобностью. Превратив далее полученную пространственную симметричную форму магнитопровода (рис. 11.4, б, в) в плоскую, получим ныне применяемую форму трехфазного стержневого магнитопровода (рис. 11.4, г). Трехфазный стержневой магнитопровод является несимметричным в отношении магнитных сопротивлений для потоков средней и крайних фаз. Это может быть пояснено на рис. 11.5.
Рис. 11.5. Потоки разных фаз в трехфазном несимметричном магнитопроводе: а — поток фазы Л; б — поток фазы В Поток фазы В проходит по более короткому пути, чем потоки фаз А и С. В связи с этим магнитное сопротивление для потока средней фазы В примерно в 2 — 2,5 раза меньше, чем для крайних фаз А и С, поэтому ток холостого хода у фазы В тоже меньше, чем у остальных фаз. Так как фазные токи холостого хода у трехфазного трансформатора не равны между собой, то при проведении опыта холостого хода за величину тока холостого хода условно принимают его среднее значение по трем фазам I0= (I1 +I2 +I3)/3. При расчете тока холостого хода трехфазного трансформатора также определяется его среднее значение, так как берется общий вес стали магнитопровода и общее число стыков пластин. 3. Для определения параметров схемы замещения трансформатора проводят его испытания в режиме холостого хода и опытного короткого замыкания. Схема опыта холостого хода приведена на рис.1 . Первичную обмотку подключают на номинальное напряжение и измеряют ток холостого хода I0 , мощность P0, напряжение на разомкнутой вторичной обмотке U20 .
Рис. 1 — Схема опыта холостого хода Мощность P0, потребляемая из сети, расходуется на потери в меди ∆Pm1 = I02r1 и потери в стали ∆Pст= I02rm при этом, поскольку rm»r1, потерями в первичной обмотке ΔPm1 пренебрегают и считают, что вся потребляемая из сети мощность расходуется на потери в стали, т.е.:
откуда:
Исходя из схемы замещения (рис. 2, а ) и пренебрегая величиной z1 по сравнению с zm можно определить величину zm из соотношения:
откуда:
Коэффициент мощности при холостом ходе определяется из соотношения:
Коэффициент трансформации равен:
Схема опыта короткого замыкания приведена на рис. 2.
Рис. 2 — Схема опыта короткого замыкания В этом опыте вторичная обмотка замыкается накоротко, а на первичной обмотке с помощью регулятора устанавливают такое напряжение U1k, при котором ток в первичной обмотке равен номинальному I1k = I1н. Величина U1k имеет весьма важное эксплуатационное значение и всегда указывается на щитке трансформатора. Обычно она указывается в процентах от номинального напряжения и для однофазных трансформаторов составляет 3%…5%. Поскольку в рассматриваемом режиме U2=0, то трансформатор не отдает потребителю полезной мощности и вся мощность P1k, потребляемая из сети, расходуется на потери. Т.к. потери в стали ΔРстпропорциональны квадрату магнитной индукции ΔРст ≈ В2 ≈ Е2 ≈ U12, то, ввиду малости напряжения U1k, этими потерями пренебрегают и считают, что вся потребляемая мощность расходуется на потери в обмотках, т. е:
откуда получаем:
Полное сопротивление короткого замыкания равно:
поэтому :
Принимая далее, что :
получаем все параметры Т-образной схемы замещения трансформатора. 2. Слово "трансформатор" образуется от английского слова "transform" - преобразовавывать, изменяться. Надеюсь все помнят фильм "Трансформеры". Там машинки лекго преобразовывались в трансформеров и обратно. Но... трансформатор у нас не преобразовывается по внешнему виду. Он обладает еще более удивительным свойством - преобразовывает переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения! Это свойство трансформатора очень широко используется в радиоэлектронике и электротехнике. Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные. Что это означает? Да все просто, есть ток, который течет по четырем проводам - три фазы и ноль - это и есть трехфазный электрический ток. А есть ток, который течет по двум проводам - фаза и ноль - это однофазный ток. Для того, чтобы из трехфазного сделать однофазный, достаточно взять один провод трехфазного и его другой провод - ноль. Однофазный электрический ток поступает в Ваши дома. В вашей розетке Переменный однофазный электрический ток 220 Вольт. Думаю, не будем сильно углубляться в подробности и рассмотрим в нашей статье однофазный трансформатор бытового назначения. Рассмотрим вот такую картинку:
На картинке показан самый обычный однофазный трансформатор. Давайте разберемся что у нас там накаверкано. 2 - это у нас магнитопровод. Он состоит из пластинок стали, по нему течет магнитный поток Ф (показано стрелками). Этот магнитный поток создается переменным напряжением, поданым на провод, намотанный на этот самый магнитопровод Ф. А снимается напряжение с провода, намотанного на другой стороне магнитопровода. Откуда берется напряжение во второй обмотке? Оно ведь никак не связано проводами? Все дело в магнитном потоке, который создает первичная обмотка. А вторичная обмотка его ловит и преобразовывает в переменное напряжение с такой же частотой. Вот здесь точно такой же трансформатор, но в другом конструктивном виде.
Такой конструктивный вид обладат такими плюсами, как малые габариты и удобство использования.
Так от чего же зависит напряжение, которое выдает нам трансформатор на вторичной обмотке? А зависит оно от витков, которые намотаны на первичной и вторичной обмотке ! Вот она, вот она, формула моей мечты! ВОТ ОНА!
где U2 - напряжение на вторичной обмотке, U1 - напряжение на первичной обмотке, N1 - количество витков первичной обмотки, N2 - количество витков вторичной обмотки, I1 - ток первичной обмотки, I2 - ток вторичной обмотки. В трансформаторе соблюдается закон сохранения энергии, то есть какая мощность в транс заходит, такая и выходит.
Если подзабыли, что такое мощность, тогда Вам сюда Работа и мощность постоянного тока. Для переменного тока она определяется также, но только вместо постоянного напряжения берется действующее напряжение тока. Его первчиная обмотка - это цифры 1,2. Вторичная обмотка - цифры 3,4. N1 - 2650 витков, N2 - 18 витков. Транс построен по упрощенной конструкции
Настало время проверить наши формулы
1.54/224=0.006875 (коэффициент отношения напряжения) 18/2650=0.006792 (коэффициент отношения обмоток) Сравниваем числа, погрешность вообще копейки! Формула работает, ура! Погрешность связана с потерями на нагрев обмоток транса и магнитопровода, а также погрешность измерения мультика. Насчет силы тока есть одно простое правило для транса, понижая напряжение, повышаем силу тока и наоборот, повышая напряжение трансом, понижаем силу тока. Трансформатор, который преобразовывает большее напряжение в меньшее, называется понижающим, а который преобразовывает меньшее напряжение в большее напряжение, называется повышающим. У понижающего трансформатора вторичная обмотка выполнена из провода больше диаметра, потому что по ней может течь сила тока при нагрузке малого сопротивления очень большая, так как мы преобразовали и ток заодно. Если провод во вторичной обмотке будет малого диаметра, то согласно Закону Джоуля-Ленца у нас он просто напросто нагреется и спалит весь транс. Основные неисправности транса могут заключаться в обрыве или в коротком замыкании обмоток. Хоть на трансе они прилегают очень пллотно к друг другу, их разделяет лаковый диэлектрик, которым покрываются и первичная и вторичная обмотка транса. Если где то возникло Короткое замыкание то транс будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. Все зависит от того, где коротнули обмотки. При обрыве все намного проще. Для этого, с помощью мультика мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки. На фото ниже я проверяю целостность первичной обмотки, которая состоит из 2650 витков. Подробнее здесь: http://www.ruselectronic.com/news/ustrojstvo-transformatora/
Рис. 2. Области применения преобразователей частоты серии MVD Delta Electronics studfiles.net 6.6. Работа трансформатора под нагрузкойВ режиме работы трансформатора под нагрузкой первичная обмотка присоединена к источнику питания, а к выводам вторичной обмотки присоединена нагрузка – приёмник электрической энергии. Схема замещения трансформатора при работе под нагрузкой представлена на рис. 6.10.
Рис. 6.10. Схема замещения трансформатора в режиме работы под нагрузкой Уравнения трансформатора в режиме работы под нагрузкой, составленные по законам Кирхгофа для схемы замещения по рис. 6.10, имеют вид (6.16) Из уравнений (6.16) следует, что при работе трансформатора с нагрузкой во вторичной обмотке действует ток i2 и основной магнитный поток создают МДС обеих обмоток: i1w1 и i2w2. Так как положительные направления токов в первичной и вторичной обмотках одинаковые от начала к концу, то основной магнитный поток обусловлен суммой МДС, которая заменяется одной результирующей:
При холостом ходе i2 = 0 и
а создаваемый этой МДС магнитный поток Ф равен Ф = Ф0 Как было показано, значение ЭДС Е10, индуцируемое потоком Ф0, почти равно U1, т. к. ток холостого хода I0 мал и падение напряжения от него в R1 и Х1 пренебрежимо мало:
При изменении нагрузки изменяется ЭДС E1, магнитный поток Ф и результирующая МДС Однако падение напряжения в первичной обмотке как при холостом ходе, так и при нагрузке невелико и практически можно допустить, что
т. е. ЭДС Е1 не зависит от нагрузки. Если это допустить, то необходимо предположить, что магнитный поток Ф и создающая его МДС также не зависят от нагрузки и имеют те же значения, что и при холостом ходе [5] : Ф = Ф0 и . Из первого уравнения в (6.16) следует, что . Допущение о независимости тока от нагрузки позволяет считать, что также не зависит от нагрузки, т. е. с изменением тока в той же мере изменяется ток [4]. Для большинства трансформаторов, как уже об этом говорилось, ток холостого хода не велик и им можно пренебречь [6]. Если принять, что = 0, то можно от полной Т – образной схемы замещения трансформатора перейти к упрощенной схеме. Сравнивая уравнения трансформатора, записанные для полных Т–образных схем в опыте короткого замыкания и при работе под нагрузкой, видим, что они отличаются только наличием слагаемого в третьем уравнении системы (6.16). Поэтому проводя, с учётом принятых допущений, те же преобразования уравнений трансформатора, что и в опыте короткого замыкания, получим уравнение трансформатора, упрощённо описывающее режим работы трансформатора под нагрузкой: (6.17) где RK и ХК – параметры короткого замыкания трансформатора. Уравнению (6.17) соответствует упрощённая схема замещения, показанная на рис. 6.11.
Рис. 6.11. Упрощённая схема замещения трансформатора при работе под нагрузкой Векторная диаграмма, соответствующая упрощённой схеме замещения трансформатора, приведена на рис. 6.12.
Рис. 6.12. Векторная диаграмма упрощённой схемы замещения трансформатора в режиме работы под нагрузкой Следует отметить, что так как условные положительные направления токов и - одинаковые – от начала к концу обмоток, - а на векторной диаграмме рис. 6.12 , то мгновенные значения токов i1(t) и i2(t) находятся в противофазе. Поэтому если принять
а
Подставляя выражения для i1(t) и i2(t) в уравнения для магнитодвижущих сил трансформатора (6.18) получим
и, следовательно,
откуда
где . Таким образом, амплитуда результирующей МДС трансформатора равна разности амплитуд МДС обмоток. Это означает, что вторичный ток по отношению к первичному является размагничивающим, что соответствует правилу Ленца. [5]. При анализе работы трансформатора с нагрузкой интерес представляет ток в ветви с нагрузкой, а не в ветви со вторичной обмоткой. Поскольку так же как и в опыте холостого хода, действительное направление напряжения ориентировано от зажима а к зажиму х, то следовательно, под его действием и действительное направление тока будет обратным к принятому за условное положительное. Это означает, что действительное мгновенное значение тока i2(t) совпадает по фазе с мгновенным значением тока i1(t). Поэтому если
то
При этом для обратного к показанному на рис. 6.10 направления тока МДС тока i2 в выражении (6.18) должна быть учтена со знаком «минус» и, следовательно, выражение для результирующей МДС трансформатора не изменяется. Таким образом, трансформатор, являясь по определению, электромагнитным устройством, предназначенным для изменения входного напряжения в ему подобное с положительным коэффициентом подобия [6], изменяет амплитуды напряжения и тока от их значений U1m, I1m до значений U2m, I2m, не изменяя, а у реального трансформатора – почти не изменяя – начальных фаз. Следовательно, если на входе трансформатора
то на выходе
причём
а
В работе [6] приведены осциллограммы действительных мгновенных значений токов и напряжений трансформатора. - обусловлен сопротивлениями трансформатора и нагрузки ; - обусловлен сопротивлением ZK; - обусловлен сопротивлением ZH. studfiles.net Работа трансформатора под нагрузкойНагрузочным или рабочим называется режим работы трансформатора, при котором к первичной обмотке подведено напряжение U1, а к вторичной подключены потребители ZН (рис. 1), так что I2 > 0.
Рис. 1 — Нагрузочный режим однофазного трансформатора Это основной режим, при котором вторичный ток изменяется в пределах 0<I2 ≤ I2Н , а коэффициент мощности cosφ2 определяется характером нагрузки и может изменяться от нуля до 1,0. Особенности взаимодействий в рабочем режиме трансформатора определяются тем, что ток I2 создает МДС F2 = I2W2 и соответствующий магнитный поток Ф2, действующие встречно по отношению к МДС F1 и потоку Ф0, т.е. в соответствии с принципом Ленца реакция вторичной обмотки направлена на уменьшение основного магнитного потока взаимоиндукции Ф0, созданного при холостом ходе. Однако, поскольку подводимое к первичной обмотке напряжение не изменяется, а оно, в основном, уравновешивается ЭДС Е10, то поток Ф0 не должен изменяться, что соответствует уравнению равновесия:
Для поддержания неизменным магнитного потока при переходе от холостого хода трансформатора к нагрузке МДС I0W1 первичной обмотки увеличивается до такой величины I1W1, при которой компенсируется размагничивающее действие МДС вторичной обмотки I2W2. При этом закон Ома для магнитной цепи трансформатора в рабочем режиме записывается в виде:
Левые части соотношений одинаковы, поэтому справедливо равенство:
которое называют уравнением равновесия МДС трансформатора. Из последнего равенства получают уравнения равновесия токов, которые записывают в виде:
или
При нагрузках, близких к номинальной, током холостого хода иногда пренебрегают и уравнение второе уравнение упрощается:
откуда следует соотношение:
Таким образом, соотношение токов при нагрузках, близких к номинальной, определяется соотношением числа витков, причем оно обратно пропорционально коэффициенту трансформации. Поэтому для номинального режима можно записать приближенное равенство:
из которого следует, что полная мощность, потребляемая трансформатором из сети, примерно равна полной мощности, отдаваемой потребителю. Схема замещения первичной обмотки при переходе от режима холостого хода к нагрузке не изменяется, однако первичный ток увеличивается до значения I1 (рис.2, а), что должно найти отражение в уравнении равновесия ЭДС первичной обмотки при нагрузке:
Ток вторичной обмотки подобно току первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Фрс2, действие которого учитывается или величиной ЭДС самоиндукции Ерс2, или уравновешивающим ее падением напряжения I2x2, на индуктивном сопротивлении рассеяния
где L2 — индуктивность рассеяния вторичной обмотки.
Рис. 2 — Схемы замещения первичной (а) и вторичной (б) обмоток трансформатора при нагрузке Электрическая схема замещения вторичной обмотки показана на рис.2, б, на которой r2 — её активное сопротивление, а полное сопротивление нагрузки:
Уравнение электрического равновесия вторичной обмотки при нагрузке имеет вид:
Это уравнение источника электрической энергии, что и представляет собой трансформатор по отношению к нагрузке. Как видно, при работе под нагрузкой напряжение на нагрузке отличается от ЭДС Е2 на величину падения напряжения на внутренних сопротивлениях вторичной обмотки. Следует отметить, что соотношение между ЭДС Е2 и напряжением U2 зависит также от характера нагрузки, о чем будет сказано ниже. Векторные диаграммы первичной и вторичной обмоток являются графическим решением уравнений:
Для вторичной обмотки (рис. 3, б) сдвиг по фазе между током I2 и напряжением U2 , (угол φ2) определяется соотношением параметров нагрузки:
а угол ψ2 — соотношением реактивных и активных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки, т.е.
Рис. 3 — Векторные диаграммы первичной (а) и вторичной (б) обмоток трансформатора На рис.3 векторные диаграммы изображены для случая активно-индуктивной нагрузки.На векторной диаграмме первичной обмотки (рис. 3, а) вектор тока
Построение вектора первичного напряжения U1 аналогично построению для режима холостого хода, однако векторы падений напряжения
ориентируются по отношению к вектору тока Сдвиг по фазе между током I1 и напряжением U1 обозначают φ1. Угол φ1, определяет, как известно, при заданных значениях тока и напряжения, подводимую к трансформатору от сети активную P1 = U1I1cosφ1 и реактивную Q1 = U1I1sinφ1 мощности. Чем больше угол φ1, тем меньше активная и тем больше реактивная мощности. www.radioingener.ru РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ НАГРУЗКЕРабочий процесс трансформатора
Предположим, что первичная обмотка трансформатора подключена к сети с U1 = const и к вторичной обмотке подключены различного рода потребители (электродвигатели, освещение, электропечи и т.д.). Тогда по вторичной обмотке под действием ЭДС Е2потечет ток I2, при этом ток в первичной обмотке увеличится и станет равным I1. Начнется передача электромагнитным путем энергии во вторичную цепь.
Рис.3.1. Схема трансформатора при нагрузке
Такой режим работы трансформатора называется режимом нагрузки. Рассмотрим процессы, происходящие в трансформаторе при нагрузке, на примере однофазного трансформатора. Полученные выводы справедливы для трехфазного трансформатора, если он питает симметричную нагрузку. Тогда токи во всех фазах будут равны, и процессы в каждой его фазе протекают также, как и у однофазного трансформатора. Токи I1 и I2, протекая по обмоткам, создадут свои магнитные потоки, которые, накладываясь друг на друга, образуют результирующий магнитный поток трансформатора. Для упрощения описания процессов этот поток при анализе разбивают на три потока. Один из потоков — Ф (рис. 3.1) — замыкается по магнитопроводу трансформатора и сцеплен полностью со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Поток Ф называется главным потоком или потоком взаимной индукции. При изменении этого потока в обмотках трансформатора индуцируются основные ЭДС Е1и Е2.Согласно закону полного тока поток Ф создается совместным действием МДС обеих обмоток. Если принять, что токи изменяются по синусоидальному закону, то можно записать
где Результирующую МДС
Уравнение (3.2) называется уравнением МДС. Ток
где При холостом ходе, когда
Следовательно, намагничивающий ток Процесс намагничивания сердечника током İ12 протекает так же, как и при холостом ходе током İ0, поэтому ток İ12 также имеет две составляющие. Одна из них является собственно намагничивающей составляющей, так как создаёт магнитный поток Ф, и по фазе совпадает с потоком. Другая составляющая тока обусловлена магнитными потерями и будет опережать поток на угол π/2. Из-за насыщения магнитопровода при больших значениях индукции зависимость Ф=f(İ12) носит нелинейный харктер. Поэтому ток İ12 будет в общем случае несинусоидальным. Исходя из равенства действующих значений, заменим его эквивалентным синусоидальным током. В дальнейшем под током İ12 будем понимать эквивалентный синусоидальный намагничивающий ток. Два других потока имеют ту особенность, что каждый сцеплен только с витками одной из обмоток и не участвует в передаче энергии от одной обмотки в другую. Поток Фσ1 (рис. 3.1) сцеплен с витками первичной обмотки и создается МДС I1w1, а поток Фσ2 — с витками вторичной обмотки, и создается МДС I2w2. Потоки Фσ1 и Фσ2 называются потоками рассеяния соответственно первичной и вторичной обмоток. Потоки рассеяния значительной своей частью замыкаются вне магнитопровода, т.е. по воздуху или маслу. Вследствие большого магнитного сопротивления на их пути потоки рассеяния втрансформаторе со стальным магнитопроводом будут относительно небольшими. Поскольку магнитная проницаемость воздуха и масла μ0=const, то принимается, что потоки рассеяния будут пропорциональны соответствующему току. Для удобства расчетов обычно считают, что потоки рассеяния и главный поток существуют независимо друг от друга. Все три потока, изменяясь, будут наводить ЭДС в обмотках трансформатора. Полагая, что все электрические магнитные величины изменяются по синусоидальному закону, запишем по второму закону Кирхгофа уравнение для первичной и вторичной обмоток в комплексной форме:
где Е1 и Е2— ЭДС, наводимые главным потоком; Еσ1 и Еσ2 — ЭДС, наводимые соответствующими потоками рассеяния; r1и r2 — активные сопротивления обмоток; U1— напряжение первичной сети; U2 — напряжение вторичной цепи, равное падению напряжения на сопротивлении нагрузки Zнг. В комплексной форме записи
где коэффициенты x1 и х2 носят название индуктивных сопротивлений рассеяния первичной и вторичной обмоток соответственно Подставив (3.6) в (3.4) и (3.5), получим
где Z1=r1+jx1 и Z2=r2+jx2— комплексные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора. Уравнения (3.7) и (3.8) вместе с уравнением (3.3) описывают установившийся рабочий процесс в трансформаторе при нагрузке и являются основными уравнениями трансформатора. Согласно (3.8) приложенное к первичной обмотке напряжение U1 уравновешивается наведенной в ней ЭДС Е1 и падением напряжения U1≈4,44f1w1Фm . (3.9) При U1 = const и f1 = const можно считать, что в указанном диапазоне нагрузок поток Фm трансформатора должен оставаться практически постоянным (Фm — амплитуда потока Ф). При этом намагничивающий ток I12 также будет практически неизменным и равным току холостого хода I0. Так как ток I12 ≈ I0 относительно мал, то при нагрузках, близких к номинальной, можно принять, что I1 ≈ I'2 = I2w2/ w1. Откуда I1/I2 ≈ w2/ w1= 1/nт. Если при работе трансформатора от сети с U1 = const изменится частота f1 или число витков w1 первичной обмотки, то для того чтобы обеспечить равенство U1≈ Е1, поток также изменится. При уменьшении частоты или числа витков поток увеличивается, а при их увеличении уменьшается.
Похожие статьи:poznayka.org Глава 15. Работа трансформатора под нагрузкой.§15-1. Физические условия работы. Будем иметь в виду однофазный трансформатор или трехфазный с симметричной нагрузкой, когда можно рассматривать одну фазу. На основании схемы замещения рис. 14-5, можно написать: (15-1) причем . Поэтому вместо уравнений (15-1) можно также написать (15-2) Особенностью работы трансформатора является то, что ввиду относительной малости r1иx1падение напряжения (r1+jx1)в диапазоне нормальных нагрузок относительно мало, вследствие чегоE1U1.В свою очередьE1~ Фс. Поэтому значение потока определяется в основном первичным напряжением: , (15-3) и при U1=constтакже Фсconst. При холостом ходе трансформатор потребляет из сети такой ток Io=I1, который нужен для создания необходимого потока при данномU1. Значение потока Фсвсегда таково, что индуктируемая им э.д.с., Е1вместе с падением напряженияz1İ1уравновешивает приложенное напряжение (15-2). При подключении ко вторичной обмотке нагрузки в ней возникает ток İ2и вторичная намагничивающая силаw2İ2=w1İ´2стремится создать в магнитопроводе свой поток и изменить поток, существовавший в режиме холостого хода. Однако приU1=constэтот поток существенным образом измениться не может. Поэтому первичная обмотка будет потреблять из сети кроме намагничивающего тока İм, дополнительный ток İ´1такого значения, что создаваемая им намагничивающая сила İ´1w1уравновесит намагничивающую силуİ2w2. Таким образом, İ´1w1= -İ2w2= -İ´2w1, (15-4) откуда İ1=2, (15-5) Ток İ´1, уравновешивающий в магнитном отношении вторичный ток İ2, называетсянагрузочной составляющей первичного тока. Полный первичный ток состоит из намагничивающей İми нагрузочной İ´1составляющих İ1= İм+ İ´1, (15-6) или İ1= İм- İ´2, (см. 15-5) (15-7) Умножив (15-7) на w1, получим w1İ1+w1İ´2=w1İм(15-8) Или: w1İ1+w2İ2=w1İм. (15-9) Отсюда видно, что поток магнитопровода трансформатора создается суммой намагничивающих сил первичного и вторичного токов или намагничивающей силы намагничивающей составляющей первичного тока İм. Так как с изменением нагрузки İ1иz1İ1изменяются, то приU1=const, также несколько изменяются Е1и Фси намагничивающая составляющая первичного тока İм.
Рис. 15-1. Векторная диаграмма трансформатора при смешанной активно-индуктивной нагрузке. Ток İ´2отстает от э.д.с. Ė´2на некоторый угол ψ2. При активно-индуктивной нагрузке φ1>φ2. (при активно-емкостной нагрузке см. А.И. Вольдек, рис. 15-1,б). Векторные диаграммы трансформатора позволяют более полно проанализировать описанные положения. Энергетические диаграммы трансформатора.
Рис. 15-3. Преобразование мощности в трансформаторе: а) активной , б) реактивной. Первичная обмотка потребляет из питающей сети мощность P1=m1U1I1cosφ1; При этом неизбежны электрические потери мощности рэм=mI21r1. и магнитные потери мощности рмг=mЕ1Iма=mI2мrм. Электромагнитная мощность Рэм= Р1–pэл1–pмг=mE1I´2cosψ2 передается магнитным полем во вторичную обмотку, в которой теряется мощность рэл2=mI22r2=mI´22r´2. Остаток мощности P2представляет собой полезную мощность, передаваемую потребителям: P2 = Рэм – pэл2 = mU2I2cosφ2 = mU´2I´2cosφ2. Преобразование реактивной мощности: Q1=mU1I1sinφ1, мощность q1=mI21x1расходуется на создание первичного магнитного поля рассеяния и мощностьqмг=mE1Iмг=mI2мхм– на создание магнитного поля магнитопровода. Во вторичной обмотке теряется реактивная мощность q2=mI22x2=mI´22х´2 и оставшаяся реактивная мощность Q2=Q1–q1–qмг–q2=mU2I2sinφ2=mU´2I´2sinφ2– передается потребителю. При активно-емкостной нагрузке φ2 < 0, а такжеQ2< 0. Изменение знакаQ2означает изменение направления передачи реактивной мощности или энергии. Если при этом также Q1=Q2+q2+qмг+q1< 0, то реактивная мощность передается из вторичной обмотки в первичную. Если же Q2< 0 иQ1> 0, то реактивная мощность потребляется как из первичной, так и из вторичной обмотки и расходуется на намагничивание трансформатора. §15-2. Изменение напряжения трансформатора. Это арифметическая разность между вторичными напряжениями трансформатора при холостом ходе и при номинальном токе нагрузки Uxx–Uн, когда первичное напряжение постоянно и равно номинальному, а частота тока также постоянна и равна номинальной, т.е.U1=const=Uн, аf1=const=fн.Это важная эксплуатационная характеристика трансформатора.(см. рис.)
Внешние характеристики трансформатора U2 = ƒ(I2) при U1 = const и ƒ = const. Внешней характеристикой трансформатора называется зависимость U2=ƒ(I2) приU1=constиcosφ2=const. ΔU– падение напряжения. Согласно определению, изменение ΔUв относительных единицах: (15-10) Обычно ΔUвычисляют в процентах и выражают черезUка%иUкr%, причем в первом приближении ΔU%Uка%сosφ2+Uкr% sinφ2(15-14). На рис. 15-5 построен график зависимости ΔU%= ƒ(φ2) приI=Iнприменительно к некоторому примеру
Рис. 15-5. Зависимость изменения напряжения от характера нагрузки. На рис. 15-5 правый верхний квадрант соответствует смешанной активно-индуктивной нагрузке, а левый нижний – активно-емкостной нагрузке. При активно-индуктивной нагрузке вторичное напряжение U2падает (ΔU> 0), а при активно-емкостной нагрузке – при достаточно большом угле сдвига фаз – оно повышается (ΔU< 0). Это обусловлено тем, что индуктивный ток вызывает понижение напряжения, а емкостный – повышает его. Чем выше номинальное напряжение трансформатораUн, тем больше магнитное рассеяние σ и напряжение короткого замыканияUки поэтому тем больше изменение напряжения трансформатора ΔU. §15-3. Регулирование напряжения трансформатора. Вследствие колебания нагрузок потребителей, возникает необходимость регулирования напряжения трансформаторов, что можно осуществить путем изменения коэффициента трансформации k=w1/w2или числа включенных в работу витков первичной или вторичной обмоткиw1илиw2. Для этой цели обмотка выполняется с рядом ответвлений, которые переключаются при отключении трансформатора от сети или под нагрузкой. Первое – проще и дешевле, но связано с перерывом энергоснабжения. Переключение под нагрузкой требует более сложного и дорогого переключающего устройства и используется в мощных трансформаторах при необходимости частого и непрерывного регулирования напряжения. Ответвления обычно выполняют со стороны заземленной нейтрали (нулевой точки) обмотки, так как изоляция переключателя при этом облегчается.
Рис. 15-6. схемы обмоток с ответвлениями для регулирования напряжения. Переключатели ответвлений располагаются внутри бака, а концы осей переключателей – на крышке бака. §15-4. Коэффициент полезного действия трансформатора. Потери активной мощности в трансформаторе подразделяются на электрические потери в обмотках, pэли магнитные потериpмгв магнитопроводе. Добавочные потериpдобна вихревые токи в обмотках, включаются в электрические. Кроме того, возникают потери на вихревые токиpвихрот полей рассеяния также в стенках бака и в крепежных деталях. Они пропорциональны квадрату токаI2и относятся к электрическим потерям рэл. Опытное значение активного сопротивления короткого замыканияrкучитывает и эти добавочные потери рдоб. Значение потерь определяется расчетным путем при проектировании трансформатора или опытным путем в готовом трансформаторе. Магнитные потери pмгизменяются незначительно и при всех нагрузках принимаются равными потерям холостого хода РоприU1=U1н=const. Электрические потери pэл, включая добавочные потери при номинальном токе, принимаются равными мощности короткого замыкания Ркпри этом же токе, и приводятся к температуре 75˚С через коэффициенты: для меди и алюминия, соответственно:
гдеv– температура обмотки. Электрические потери при нагрузке I≠Iнпринимаются равными Рэл нг =k2нгРк, где kнг=I2/I2н(15-15) представляет собой коэффициент нагрузки трансформатора. Таким образом суммарные потери трансформатора при U=Uнпринимаются равными p∑=pмг+pэл= Ро+k22нгРк. (15-16) КПД трансформатора:
Поскольку P2 = mU2нkнг I2н cosφ2 = kнгSнгcosφ2, (15-17) то: (15-18) КПД трансформатора имеет максимальное значение при такой нагрузке, при которой переменные потери рэлравны постоянным потерям рмг, т.е. приk2нгРк= Ро. Таким образом, η = ηмакс, при , (15-19) Для трансформатора Sн = 180 кВА и напряжением 6,3/0,525 кВ η = ηмакспри . Потери холостого хода трансформатора: 1) Потери в меди первичной обмотки pм1=I2or1; 2) Основные потери в стали сердечника рсо; 3) Добавочные потери холостого хода рдо. Рорасходуется целиком на покрытие потерь холостого хода Ро= рм1+ рсо+ рдо. Потери рм1 обычно < 2% от суммы потерь холостого хода, поэтому Рорсо+ рдо, т.е. мощность холостого хода расходуется практически только на потери в стали. А. Основные потери в стали. Состоят из потерь на гистерезисе и на вихревые токи. Расчет ведется по участкам магнитной цепи, но можно воспользоваться формулой (при ƒ близкой к 50 Гц) , где рс1,0 – удельные потери в стали при В = 1 Тл и ƒ = 50Гц, приводимые в таблице В-5. Б. Добавочные потери холостого хода. а) потери в стали вследствие изменения структуры листовстали при их механической обработке; б) потери в местах стыков и в местах расположения стяжных шпилеквследствие неравномерного распределения магнитной индукции; в) потери в конструктивных деталях– в шпильках, в балках, прессующих ярмах, в баке трансформатора и т.д. г) потери в изоляциитрансформаторов высокого напряжения. Добавочные потери не поддаются точному расчету. При индукциях 1,45 – 1,47 Тл их принимают (15 ÷ 20%) рсо= рд. рс= рсо+ рдо= (1,15 ÷ 1,20) рсо. Потери короткого замыкания. При коротком замыкании рск0, так как основной поток весьма мал, и тогда Рк= рм1+ рм2. Потери в меди при коротком замыкании состоят из: а) основных потерь в меди рмоотr10иr20; б) добавочных потерь в меди, обусловленных вихревыми токами в проводниках обмоток, и вызываемые потоками рассеяния в стенках бака и т.д. рмосн=I21ro+I22r20. Добавочные потери обычно включаются в основные потери увеличением сопротивления обмоток r1=r10kr1иr2=r20kr2. В результате . В нормальных случаях kr1иkr2равны 1,05 ÷ 1,15, но бывают значительно большими. Мощность короткого замыкания и мощность холостого хода имеют весьма важное эксплуатационное значение. Для стандартных трансформаторов Ро: Рк = 1:(2,5 ÷ 4). §15-5. Параллельная работа трансформаторов. На повышающих и понижающих трансформаторных подстанциях обычно устанавливаются два, три и более параллельно работающих трансформаторов в зависимости от мощности подстанции. Параллельная работа трансформаторов необходима по причинам: 1) Обеспечение резервирования в энергоснабжении потребителей в случае аварии и необходимости ремонта трансформаторов. 2) Уменьшение потерь энергии в периоды малых нагрузок подстанции путем отключения параллельно работающих трансформаторов. Равномерное распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами достигается при условии, когда они имеют: 1) Одинаковые группы соединения обмоток 2) Равные первичные и вторичные напряжения или, что тоже самое, равные коэффициенты трансформации. 3) Равные напряжения короткого замыкания. При несоблюдении хотя бы одного из перечисленных условий уже на холостом ходу возникают уравнительные токи, которые будут циркулировать по замкнутым контурам, образуемым вторичными обмотками параллельно включенных трансформаторов и трансформироваться также в первичные обмотки. Эти токи, если они даже не очень велики, при включении потребителей складываются с токами нагрузки и вызывают неравное нагружение, а также излишние потери и нагрев трансформаторов. Соблюдение равенства Uk, обеспечивает равномерное распределение нагрузки. При первом включении на параллельную работу трансформаторов необходимо проверить их фазировку, т.е. убедиться, что на одну и туже шину включаются такие же фазы отдельных трансформаторов, напряжения которых совпадают по фазе. Способы фазировки изложены в ГОСТ3484-65. Условия одинаковости групп соединения обмоток. Пусть параллельно включены два трансформатора с соединением обмоток Y/Δ – 11 иY/Y– 0, имеющие одинаковые первичные и вторичные номинальные напряжения. Тогда вторичные э.д.с. Е2соответствующих фаз этих трансформаторов будут равны по значению, но сдвинуты по фазе на 30˚. (рис. 15-12). В замкнутом контуре вторичных обмоток действует разность этих э.д.с. ΔЕ = 2Е2sin15˚ = 0.518Е2.
Рис. 15-12. Уравнительные токи при параллельной работе трансформаторов Y/Δ – 11 и Y/Y – 0. Уравнительный ток течет только по первичным и вторичным обмоткам трансформаторов и ограничивается по значению только сопротивлением этих обмоток, т.е. сопротивлениями короткого замыкания трансформаторов. Поэтому , (15-20) Если SI=SIIиzkI*=zkII *=UkI*=UkII*= 0.05,то
т.е. этот ток будет в 5,18 раза больше номинального, что почти равносильно короткому замыканию и поэтому параллельное включение трансформаторов с различными группами соединения обмоток недопустимо. Однако, возможны случаи, когда путем круговой перестановки обозначений выводов обмоток или соответствующим соединением зажимов двух трансформаторов удается добиться совпадения по фазе э.д.с. параллельно включаемых фаз трансформаторов, имеющих разные группы соединений. Возможность этого соединения в каждом конкретном случае можно проверить на основе рассмотрения векторных диаграмм напряжений трансформаторов, включаемых на параллельную работу. Условие равенства коэффициентов трансформации. Пусть параллельно работает два трансформатора одинаковой мощности и zк1*=zкII*= =0.055,а их коэффициенты трансформации различаются на 1%. Тогда ΔЕ = 0,01Uни согласно формуле
или 9,1%, т.е. уравнительный ток составляет довольно значительную величину. По ГОСТ 11677 в общем случае допускается отличие коэффициентов трансформации от паспортных значений на 0,5%, а для трансформаторов с k> 3 – на 1%. Условие равенства напряжений короткого замыкания. Представим схему параллельной работы в виде рис. 15-14. Падения напряжения (15-21) где İ – общий ток нагрузки, а (15-22)
Рис. 15-14. Соединение трансформаторов с разными Uк. Токи отдельных трансформаторов в общем случае не совпадают по фазе. Однако, в обычных условиях эти сдвиги по фазе незначительны и с большой точностью II+III+IIII=I. (15-24) Поэтому и арифметическая сумма полных мощностей трансформаторов с большой точностью равна полной мощности нагрузки S: SI+SII+SIII=S. (15-25) После несложных выкладок в относительных единицах получим (см. Вольдек стр.315):
т.е. относительные нагрузки трансформаторов обратнопропорциональны их напряжениям короткого замыкания. Если Uк%не равны, то при повышении нагрузки номинальной мощности прежде всего достигнет трансформатор с наименьшимUк%. Другие трансформаторы будут еще не догружены, но дальнейшее увеличение общей нагрузки недопустимо, так как первый будет перегружаться. Поэтому общая установленная мощность будет недоиспользованной. Рекомендуется включать на параллельную работу трансформаторы для каждого из которых значение Uк%отличается от арифметического среднего значенияUк% всех трансформаторов не более, чем на 10% и отношение номинальных мощностей находится в пределах 3:1. studfiles.net Работа трансформатора на холостом ходуРис. 1 Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения, а вторичную оставить разомкнутой, (этот режим трансформатора называют холостым ходом), то тока в ней не будет, а в первичной обмотке появится слабый ток, создающий в сердечнике переменный магнитный поток. Этот поток наводит в каждом витке обмоток одинаковую ЭДС, поэтому ЭДС индукции в каждой обмотке будет прямо пропорциональна числу витков в этой обмотке. Е ~ N При разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ее зажимах U2 будет равно наводимой в ней ЭДС Е2. U2 В первичной обмотке ЭДС Е1 по числовому значению мало отличается от подводимого к этой … обмотке напряжения U1, практически их можно считать равными. U1 Величина, показывающая, во сколько раз данный трансформатор изменяет напряжение переменного тока, называется коэффициентом трансформации. При подаче на первичную обмотку трансформатора какого-либо напряжения U1 на вторичной обмотке мы получаем на выходе U2. Оно будет больше первичного, если обмотка содержит больше витков, чем первичная. Итак, если N2 > N1, то U2 > U1, коэффициент трансформации k < 1 и трансформатор называется повышающим. ЕслиN2 < N1 и U2 < U1, то k > 1и трансформатор называетсяпонижающим. Эти формулы справедливы, если ни первичная, ни вторичная обмотки не содержат активного сопротивления R. Первичная обмотка, как правило, не содержит такого сопротивления, а вторая обмотка может его содержать. Если она все же не содержит сопротивления или им можно пренебречь, то напряжение на выходе такой обмотки равно напряжению U2. Когда вторичная обмотка трансформатора не имеет сопротивления R2 = 0, то кпд = 100% Апол = А затр, тогда U1 I1 t = U2 I2 t и U1 I1 = U2 I2 , то Р1 = Р2
следует, что
Работа трансформатора с нагрузкой.Если во вторичную цепь трансформатора включить нагрузку, то во вторичной обмотке возникает ток. Этот ток создает магнитный поток, который согласно правилу Ленца, должен уменьшить изменение магнитного потока в сердечнике, что в свою очередь, приведет к уменьшению ЭДС индукции в первичной обмотке, поэтому ток в первичной обмотке должен возрасти, восстанавливая начальное изменение магнитного потока. При этом увеличивается мощность, потребляемая трансформатором от сети. (Рис.2).
Рис. 2 Если же вторичная обмотка трансформатора имеет сопротивление вторичной обмотки R2 (говорится о длине проводников из которых изготовлена обмотка, или о материале проводника, или о сечении и диаметре проводов обмотки), то на выходе вторичной обмотки напряжение U2‘ будет меньше расчетного напряжения U2 на величину падения напряжения U2‘= U2 – Потери напряжения (отмечаем, что такой же ток течет и в нагрузке Rн, так как R2 и Rн соединены последовательно). Напряжение на нагрузке по закону Ома для участка цепи Учитывая, что
то Использование трансформаторов.Трансформаторы используются в технике и могут быть устроены очень сложно, однако незыблемым остается принцип их действия: » изменяющееся магнитное поле, созданное переменным током в первичной обмотке, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, но другого напряжения». В современных мощных трансформаторах суммарные потери энергии не превышают 2–3%. · на заводах и фабриках при подаче напряжения к двигателям станков 380–660 В. · при передаче электроэнергии по проводам от 100 до 1000В; · для электросварки и электроплавки; · в радиотехнике; и др.
Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 2. Поделиться с ДРУЗЬЯМИ:refac.ru |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
получают, пристраивая к вектору тока холостого хода 
вектор тока 
измененный в отношении 1/к и повернутый на 180°, т.е. вектор
, (3.1)
— результирующая МДС.
представим как произведение некоего тока 
в первичной обмотке на витки w1, тогда
. (3.2)
, (3.3)
, ток в первичной обмотке равен току холостого хода, т.е.
.
. При нагрузке эти токи отличаются друг от друга. Чем больше нагрузка, тем сильнее различие в этих токах. Однако для нагрузок, не превышающих номинальную, можно принимать 
.
(3.4)
(3.5)
, (3.6)
(3.7)
(3.8)
При работе трансформатора в диапазоне от холостого хода до нагрузок, незначительно превышающих номинальную, падение напряжения относительно мало (2—4%), и можно принять, что U1≈ Е1. Так как E1=4,44f1w1Фm , то
Е2
и 
U = I2 • R2 на этом сопротивлении из-за потерь энергии тока на джоулево тепло. На выход (на нагрузку) Rн »пойдет» меньшее напряжение:
, тогда 
можем всегда найти нужную величину напряжения или силы тока, количество витков в катушках.
, где Ап = U2‘• I2 • t ; Аз = U1 • I1 • t ,
