Меню

Работа трансформаторов тока под нагрузкой

Устройство и принцип работы трансформатора

Для преобразования электрического напряжения одной величины в электрическое напряжение другой величины, то есть для преобразования электрической мощности, применяют электрические трансформаторы.

Трансформатор может преобразовывать лишь переменный ток в переменный ток, поэтому для получения постоянного тока, переменный ток с трансформатора при необходимости выпрямляют. Для этой цели служат выпрямители.

Так или иначе, любой трансформатор (будь то трансформатор напряжения, трансформатор тока или импульсный трансформатор) работает благодаря явлению электромагнитной индукции, которое проявляет себя во всей красе именно при переменном или импульсном токе.

Однофазный трансформатор

Устройство трансформатора

В простейшем виде однофазный трансформатор состоит всего из трех основных частей: ферромагнитного сердечника (магнитопровода), а также первичной и вторичной обмоток. В принципе обмоток у трансформатора может быть и больше двух, но минимум их две. В некоторых случаях функцию вторичной обмотки может нести на себе часть витков первичной обмотки (см. виды трансформаторов), но подобные решения встречаются достаточно редко по сравнению с обычными.

Устройство трансформатора

Главная часть трансформатора — ферромагнитный сердечник. Когда трансформатор работает, то именно внутри ферромагнитного сердечника присутствует изменяющееся магнитное поле. Источником изменяющегося магнитного поля в трансформаторе служит переменный ток первичной обмотки.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Известно, что любой электрический ток сопровождается магнитным полем, соответственно переменный ток сопровождается переменным (изменяющимся по величине и направлению) магнитным полем.

Таким образом, подав в первичную обмотку трансформатора переменный ток, получим изменяющееся магнитное поле тока первичной обмотки. А чтобы магнитное поле было сконцентрировано главным образом внутри сердечника трансформатора, данный сердечник изготавливают из материала с высокой магнитной проницаемостью, в тысячи раз большей чем у воздуха, чтобы основная часть магнитного потока первичной обмотки замкнулась бы именно внутри сердечника, а не по воздуху.

Таким образом переменное магнитное поле первичной обмотки сконцентрировано в объеме сердечника трансформатора, который изготавливают из трансформаторной стали, феррита или другого подходящего материала, в зависимости от рабочей частоты и назначения конкретного трансформатора.

Принцип работы трансформатора

Вторичная обмотка трансформатора находится на общем сердечнике с его первичной обмоткой. Поэтому переменное магнитное поле первичной обмотки пронизывает также и витки вторичной обмотки.

А явление электромагнитной индукции как раз и заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле наводит в пространстве вокруг себя изменяющееся электрическое поле. И поскольку в данном пространстве вокруг изменяющегося магнитного поля находится провод вторичной обмотки, то индуцированное переменное электрическое поле действует на носители заряда внутри этого провода.

Данное действие электрическим полем вызывает в каждом витке вторичной обмотки ЭДС. В результате между выводами вторичной обмотки появляется переменное электрическое напряжение. Когда вторичная обмотка включенного в сеть трансформатора не нагружена, трансформатор работает в режиме холостого хода.

Работа трансформатора под нагрузкой

Работа трансформатора под нагрузкой

Если же ко вторичной обмотке работающего трансформатора подключена некая нагрузка, то во всей вторичной цепи трансформатора возникает ток через нагрузку.

Данный ток порождает свое собственное магнитное поле, которое, по закону Ленца, имеет такое направление, что противодействует «причине, его вызывающей». То есть магнитное поле тока вторичной обмотки в каждый момент времени стремится уменьшить увеличивающееся магнитное поле первичной обмотки или же стремится поддержать магнитное поле первичной обмотки когда оно уменьшается, оно всегда направлено навстречу магнитному полю первичной обмотки.

Таким образом, когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в его первичной обмотке возникает противо-ЭДС, заставляющая первичную обмотку трансформатора потреблять из питающей сети больше тока.

Силовой трансформатор в разрезе

Коэффициент трансформации

Соотношение витков первичной N1 и вторичной N2 обмоток трансформатора определяет соотношение между его входным U1 и выходным U2 напряжениями и входным I1 и выходным I2 токами, при работе трансформатора под нагрузкой. Данное соотношение называется коэффициентом трансформации трансформатора:

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации больше единицы если трансформатор понижающий, и меньше единицы — если трансформатор повышающий.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения является разновидностью понижающего трансформатора, предназначенной для гальванической развязки цепей высокого напряжения от цепей низкого напряжения.

Обычно, когда речь идет о высоком напряжении, имеют ввиду 6 и более киловольт (на первичной обмотке трансформатора напряжения), а под низким напряжением понимают величины порядка 100 вольт (на вторичной обмотке).

Такой трансформатор применяется, как правило, для измерительных целей. Он понижает, например, высокое напряжение линии электропередач до удобного для измерения низковольтного напряжения, при этом может также гальванически изолировать цепи измерения, защиты, управления, — от высоковольтной цепи. Трансформатор данного типа обычно работает в режиме холостого хода.

Силовой трансформатор на опоре ЛЭП

Трансформатором напряжения можно назвать в принципе и любой силовой трансформатор, применяемый для преобразования электрической мощности.

Трансформатор тока

Трансформатор тока

У трансформатора тока первичная обмотка, состоящая обычно всего из одного витка, включается последовательно в цепь источника тока. Данным витком может выступать участок провода цепи, в которой необходимо измерить ток.

Провод просто продевается через окно сердечника трансформатора и становится этим самым единственным витком — витком первичной обмотки. Вторичная же его обмотка, имеющая много витков, подключается к измерительному прибору, отличающемуся малым внутренним сопротивлением.

Трансформаторы данного типа используются для измерения величин переменного тока в силовых цепях. Здесь ток и напряжение вторичной обмотки оказываются пропорциональны измеряемому току первичной обмотки (токовой цепи).

Трансформаторы тока широко применяются в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, поэтому обладают высокой точностью. Они делают измерения безопасными, так как гальванически надежно изолируют измерительную цепь от первичной цепи (обычно высоковольтной — десятки и сотни киловольт).

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор

Данный трансформатор предназначен для преобразования тока (напряжения) импульсной формы. Короткие импульсы, обычно прямоугольные, подаваемые на его первичную обмотку, заставляют трансформатор работать практически в режиме переходных процессов.

Такие трансформаторы используются в импульсных преобразователях напряжения и других импульсных устройствах, а также в качестве дифференцирующих трансформаторов.

Применение импульсных трансформаторов позволяет снизить вес и стоимость устройств, в которых они применяются просто в силу повышенной частоты преобразования (десятки и сотни килогерц) по сравнению с сетевыми трансформаторами, работающих на частоте 50-60 Гц. Прямоугольные импульсы, у которых длительность фронта много меньше длительности самого импульса, нормально трансформируются с малыми искажениями.

Источник



Что такое трансформатор тока, его конструкция и принцип работы

Для нормального функционирования устройств обеспечивающих релейную защиту высоковольтных ЛЭП, требуется контролировать параметры электрической линии. Снимать показания с высоковольтных проводов напрямую – опасно и не эффективно. Режим работы обычного трансформатора не позволяет контролировать изменение тока. Решает эту проблему трансформатор тока, у которого показатели вторичной цепи изменяются пропорционально величине тока первичной обмотки.

Конструкция и принцип действия

Внешний вид типичного трансформатора тока представлен на рисунке 1. Характерным признаком этих моделей является наличие у них диэлектрического корпуса. Формы корпусов могут быть разными – от прямоугольных до цилиндрических. В некоторых конструкциях отсутствуют проходные шины в центре корпуса. Вместо них проделано отверстие для обхвата провода, который выполняет функции первичной обмотки.

Трансформатор тока

Рис. 1. Трансформатор тока

Материалы диэлектриков выбирают в зависимости от величины напряжений, для которых предназначено устройство и от условий его эксплуатации. Для обслуживания промышленных энергетических систем изготавливают мощные ТТ с керамическими корпусами цилиндрической формы (см. рис. 2).

Промышленный керамический трансформатор тока

Рис. 2. Промышленный керамический трансформатор тока

Особенностью трансформатора является обязательное наличие нагрузочного элемента (сопротивления) во вторичной обмотке (см. рис. 3). Резистор необходим для того, чтобы не допускать работы в режиме без вторичных нагрузок. Функционирование трансформатор тока с ненагруженными вторичными обмотками недопустимо из-за сильного нагревания (вплоть до разрушения) магнитопровода.

Читайте также:  Пример задачи по теме переменный ток

Принципиальная схема трансформатора тока

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора тока

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ оснащены только одним витком первичной обмотки (см. рис. 4). Этим витком часто является шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками (см. рис. 5).

Схематическое изображение ТТ Рис. 4. Схематическое изображение ТТ Устройство ТТ Рис. 5. Устройство ТТ

Иногда в роли первичной обмотки выступает проводник электрической цепи. Для этого конструкция сердечника позволяет применить шарнирное соединение частей трансформатора для обхвата провода (см. рис. 6).

ТТ с разъемным корпусом

Рис. 6. ТТ с разъемным корпусом

Сердечники трансформаторов выполняются способом шихтования кремнистой стали. В моделях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов.

Принцип действия.

Основная задача токовых трансформаторов понизить (повысить) значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит ЭДС во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.

Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2 .

Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.

На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.

Линейная зависимость выходного тока (при номинальной мощности) позволяет определять параметры величин в первичной цепи. Численно эта величина во вторичной катушке равна произведению реального значения тока на номинальный коэффициент трансформации.

В идеале I1 = kI2 = I2W2/W1. С учетом того, что W1 = 1 (один виток) I1 = I2W2 = kI2. Эти несложные вычисления можно заложить в программу электронного измерителя.

Принцип действия трансформатора тока

Рис. 7. Принцип действия трансформатора тока

На рисунке 7 не показан нагрузочный резистор. При измерениях необходимо учитывать и его влияние. Все допустимые погрешности в измерениях отображает класс точности ТТ.

Классификация

Семейство трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам.

Пример наружного использования ТТ

  1. По назначению:
    • защитные;
    • линейки измерительных трансформаторов тока;
    • промежуточные (используются для выравнивания токов в системах дифференциальных защит);
    • лабораторные.
  2. По способу монтажа:
    • наружные (см. рис. 8), применяются в ОРУ;
    • внутренние (размещаются в ЗРУ);
    • встраиваемые;
    • накладные (часто совмещаются с проходными изоляторами);
    • переносные.

Рис. 8. Пример наружного использования ТТ

  • Классификация по типу первичной обмотки:
    • многовитковые, к которым принадлежат катушечные конструкции, и трансформаторы, с обмотками в виде петель;
    • одновитковые;
    • шинные.
  • По величине номинальных напряжений:
    • До 1 кВ;
    • Свыше 1 кВ.

Трансформаторы тока можно классифицировать и по другим признакам, например, по типу изоляции или по количеству ступеней трансформации.

Расшифровка маркировки

Каждому типу трансформаторов присваиваются буквенно-цифровые символы, по которым можно определить его основные параметры:

  • Т — трансформатор тока;
  • П — буква указывающая на то, что перед нами проходной трансформатор. Отсутствие буквы П указывает, что устройство принадлежит к классу опорных ТТ;
  • В — указывает на то, что трансформатор встроен в конструкцию масляного выключателя или в механизм другого устройства;
  • ВТ — встроенный в конструкцию силового трансформатора;
  • Л— со смоляной (литой) изоляцией;
  • ФЗ — устройство в фарфоровом корпусе. Звеньевой тип первичной обмотки;
  • Ф — с надежной фарфоровой изоляцией;
  • Ш — шинный;
  • О — одновитковый;
  • М — малогабаритный;
  • К — катушечный;
  • 3 — применяется для защиты от последствий замыкания на землю;
  • У — усиленный;
  • Н — для наружного монтажа;
  • Р — с сердечником, предназначенным для релейной защиты;
  • Д — со вторичной катушкой, предназначенной для питания электричеством дифференциальных устройств защиты;
  • М — маслонаполненный. Применяется для наружной установки.
  1. Номинальное напряжение (в кВ) указывается после буквенных символов (первая цифра).
  2. Числами через дробь обозначаются классы точности сердечников. Некоторые производители вместо цифр проставляют буквы Р или Д.
  3. следующие две цифры «через дробь» указывают на параметры первичного и вторичного токов;
  4. после позиции дробных символов — код варианта конструкционного исполнения;
  5. буквы, расположенные после кода конструкционного варианта, обозначают тип климатического исполнения;
  6. цифра на последней позиции — категория размещения.

Схемы подключения

Первичные катушки трансформаторов тока включаются в цепь последовательно. Вторичные катушки предназначены для подключения измерительных приборов или используются системами релейной защиты.

Во вторичную цепь включаются выводы измерительных приборов и устройства релейной защиты. С целью обеспечения безопасности, сердечник магнитопровода и один из зажимов вторичной катушки должны заземляться.

При подключении трехфазных счетчиков, в сетях с изолированной нейтралью обмотки трансформатора соединяются по схеме «Неполная звезда». При наличии нулевого провода применяется схема полной звезды.

Выводы трансформаторов маркируются. Для первичной обмотки применяются обозначения Л1 и Л2, а для вторичной – И1 и И2. При подключении измерительных приборов следует соблюдать полярность обмоток.

Схема «неполная звезда» применяется для двухфазного соединения.

В дифференциальных защитах, используемых в силовых трансформаторах, обмотки включаются треугольником.

Основные схемы подключения:

Основные схемы подключения

  • В сетях с глухозаземленной нейтралью ТТ подключается к каждой фазе. Соединение обмоток трансформатора – полная звезда.
  • Подключение по схеме неполной звезды. Применяется в сетях с изолированными нулевыми точками.
  • Схема восьмерки. Симметрично распределяет нагрузки при трехфазном КЗ.
  • Соединение ТТ в фильтр токов нулевой последовательности. Применяется для защиты номинальной нагрузки от коротких замыканиях на землю.

Технические параметры

Очень важной характеристикой трансформатора тока является класс точности. Этот параметр характеризует погрешность измерения, то есть показывает, на сколько номинальный (идеальный) коэффициент трансформации отличается от реального.

Коэффициент трансформации

Так как в реальном коэффициенте трансформации присутствует синфазная и квадратурная составляющая, то значения коэффициента всегда отличаются от номинального. Разницу (погрешность) необходимо учитывать при измерениях. На результаты измерений влияют также угловые погрешности.

У всех ТТ погрешность отрицательна, так как у них всегда присутствуют потери от намагничивания и нагревания токовых катушек. С целью устранения отрицательного знака погрешности, для смещения параметров трансформации в положительную сторону, применяют витковую коррекцию. Поэтому в откорректированных устройствах привычная формула для вычислений не работает. Поэтому коэффициенты трансформации в таких аппаратах производители определяют опытным путем и указывают их в техпаспорте.

Класс точности

Токовые погрешности искажают точность измерения электрического тока. Поэтому для измерительных трансформаторов высокие требования к классу точности:

  • 0,1;
  • 0,5;
  • 1;
  • 3;
  • 10P.

Трансформатор может находиться в пределах заявленного класса точности, только если сопротивление максимальной нагрузки не превышает номинального, а ток в первичной цепи не выходит за пределы 0,05 – 1,2 величины номинального тока трансформатора.

О назначении

Основная сфера применения трансформаторов – защита измерительного и другого оборудования от разрушительного действия предельно высоких токов. ТТ применяются для подключения электрического счетчика, изоляции реле от воздействия мощных токовых нагрузок.

Видео по теме

Источник

Рабочий режим трансформатора

Работа трансформатора под нагрузкой. Рабочий режим — это работа трансформатора при подключенных потребителях или под нагрузкой (под нагрузкой понимается ток вторичной цепи — чем он больше, тем больше на­грузка). К трансформатору подключаются различного рода потребители: электрические двигатели, освещение и т. п.

Читайте также:  Ток ту ми бой

Схема нагруженного трансформатора представлена на рис. 2.7.

Первичная обмотка подключается к источнику синусоидального напряжения . Ток в первичной обмотке или, точнее, МДС вызывает основной магнитный поток и магнитный поток рассеяния .

Изменяющийся магнитный поток пронизывает обмотки и согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ) в обмотках наводятся ЭДС и , выбранные положительные направления которых показаны на рис. 2.7. К вторичной обмотке подключен потребитель с сопротивлением (в комплексной форме), т.е. вторичная обмотка замкнута, и ток в ней вызывает МДС . Как видно из рис. 2.7, МДС направлена против МДС , т. е. поток вторичной обмотки направлен навстречу потоку первичной обмотки. Действительно, если предположить, что МДС создает поток , направленный так же, как и поток , то результирующий магнитный поток и ЭДС увеличатся. В результате мощность станет больше, чем мощность , подводимая из сети, что противоречит закону сохранения энергии. Таким образом, как бы ни была уложена вторичная обмотка, ее МДС всегда направлена противоположно МДС первичной обмотки. Этот же вывод следует из правила Ленца.

С изменением тока при неизменном изменяется ток , что следует из закона сохранения энергии. Например, при увеличении тока усиливается его размагничивающее действие, суммарный магнитный поток и, следовательно, ЭДС должны уменьшиться, но ток увеличивается так, чтобы получился поток первоначального значения.

Уравнение магнитодвижущих сил. Исходя из соображений, изложенных в п. 2.4.1, запишем МДС (для мгновенных значений)

где — мгновенное значение результирующей МДС обеих обмоток.

При неизменном действующем значении напряжений результирующий магнитный поток практически остается также неизменным в режимах от холостого хода до номинального, поэтому

или в комплексной форме

Уравнение токов.

Разделив обе части (2.5) на , получим:

Обозначив , запишем для токов

Из (2.6б) следует, что ток можно рассматривать состоящим из двух составляющих: одна определяет основной магнитный поток , а вторая компенсирует

размагничивающее действие тока вторичной обмотки.

Ток холостого хода составляет лишь несколько процентов тока . Если им можно пренебречь, то из (2.6а) следует, что токи обмоток и обратно пропорциональны числам витков, т. е или с индексами высшего и низшего напряжений

Из (2.7) следует, что в обмотке с большим числом витков ток меньше.

Уравнение электрического состояния. На рис. 2.7 показана схема трансформатора с включенным потребителем, сопротивление которого в комплексной форме . Будем, как и при холостом ходе, рассматривать первичную обмотку трансформатора как приемник, а вторичную обмотку как источник электрической энергии. При такой трактовке функций обмоток ЭДС направлена против положительного направления тока , а положительное направление тока вторичной обмотки совпадает по на­правлению с ЭДС .

Уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для первичной цепи:

где — падение напряжения на активном сопротивлении провода первичной обмотки; падение напряжения на сопротивлении рассеяния первичной обмотки. В комплексной форме

Уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для вторичной цепи:

где напряжение на выводах вторичной обмотки; — падение напряжения на активном сопротивлении проводов вторичной обмотки; падение напряжения на сопротивлении рассеяния вторичной обмотки. В комплексной форме:

Приведение вторичной обмотки трансформатора к первичной. При расчете электрических цепей с трансформаторами задача расчета усложняется из-за магнитной связи между вторичной и первичной обмотками трансформатора. Эту задачу можно упростить, если для устранения магнитной связи между обмотками составить эквивалентную электрическую схему. Последнее возможно, если объединить обе обмотки трансформатора в одну, сделав равными ЭДС этих обмоток ( ). Равенство будет выполнено, если новое число витков вторичной обмотки сделать равным числу витков первичной обмотки , т.е. если . Очевидно, что при таком преобразовании изменятся все величины, характеризующие вторичную цепь , и их необходимо пересчитать на новое число витков. Пересчет величин вторичной цепи на новое число витков называется приведением вторичной цепи к числу витков первичной цепи, а трансформатор в этом случае называется приведенным.

Приведение вторичной обмотки к первичной упрощает расчет некоторых рабочих характеристик трансформатора и облегчает построение векторных диаграмм, так как в приведенном трансформаторе величины вторичной цепи имеют тот же порядок, что и величины первичной цепи.

Найдем приведенные значения величин для понижающего трансформатора, умножив (2.9) на :

или через коэффициент трансформации

Приведенными значениями напряжений, ЭДС, тока и сопротивлений являются

Запишем уравнение (2.9) с приведенными значениями:

Такое преобразование справедливо, так как МДС, относительные значения падений напряжения и мощность потерь в проводах остаются неизменными, т. е.

Источник

Работа трансформатора под нагрузкой

4. РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ

4.1 Энергетические диаграмма активной и реактивной

мощности трансформатора

Процесс преобразования активной мощности в трансформаторе характеризует энергетическая диаграмма (рис.4.1, а). Активная мощность, которая при работе трансформатора выделяется в виде тепла (потери мощности) показаны в нижней части диаграммы маленькими буквами .

В соответствии с энергетической диаграммой первичная обмотка трансформатора потребляет из сети активную электрическую мощность :

Часть этой мощности компенсирует электрические потери мощности в первичной обмотке трансформатора (нагрев проводов обмотки):

Еще часть мощности расходуется на покрытие магнитных потерь в стали магнитопровода:

Оставшаяся часть мощности передается магнитным полем во вторичную обмотку. Эту мощность называют внутренней электромагнитной мощностью:

где угол между ЭДС и током приведенной вторичной обмотки.

Часть мощности компенсирует электрические потери мощности вторичной обмотки:

Еще часть мощности покрывает добавочные потери , обусловленные магнитными потоками рассеяния. При проектировании силовых трансформаторов добавочные потери принимают (0.15 – 0.45) % от номинальной мощности:

По месту возникновения различают добавочные потери в токоведущих частях (обмотках, отводах) за счет вытеснения тока, в элементах конструкции от вихревых токов поля рассеяния (баке, прессующих кольцах, ярмовых балках, нажимных и стяжных пластинах, бандажах, электромагнитных и электростатических экранах), а также потери от вихревых токов поля рассеяния в крайних пакетах магнитопровода.

Оставшаяся часть электромагнитной мощности активная полезная электрическая мощность, отдаваемая трансформатором потребителям:

Преобразование реактивной мощности представлено диаграмма, представлено на рис. 4.1, б. Первичная обмотка из сети потребляет реактивную мощность:

Часть мощности расходуется на создание магнитного поля рассеяния первичной обмотки:

Еще часть мощности создает магнитное поле взаимоиндукции в магнитопроводе:

Во вторичную обмотку передается реактивная электромагнитная мощность:

Часть мощности расходуется на создание магнитного поля рассеяния вторичной обмотке:

Оставшаяся часть электромагнитной мощности – реактивная мощность трансформатора, отдаваемая потребителям:

При активно-ёмкостной нагрузке , следовательно, . Изменение знака означает изменение направления передачи реактивной мощности. Если при этом то реактивная мощность передается из вторичной обмотки в первичную. Если и , то реактивная мощность для намагничивания магнитопровода потребляется одновременно из первичной и вторичной обмоток трансформатора.

4.2 Коэффициент полезного действия трансформатора.

Зависимость КПД от нагрузки

Коэффициентом полезного действия трансформатора называют отношения активной мощности, отдаваемой трансформатором в нагрузку , к активной мощности , потребляемой трансформатором из сети:

Как показано в п. 4.1 первичную мощность трансформатора можно представить как

где суммарные потери мощности трансформатора.

Магнитные потери , или потери в стали магнитопровода принимают равными потерям холостого хода (см. п. 3.4). Потери холостого хода пропорциональны квадрату магнитной индукции и зависят от частоты питающей сети . При и потери от нагрузки практически не зависят и носят название постоянных потерь мощности:

Электрические потери в обмотках трансформатора пропорциональны квадрату тока и поэтому называются переменными потерями мощности. Переменные электрические потери, включая добавочные, выражают через потери короткого замыкания при номинальных токах в обмотках приведенного трансформатора (см. п. 3.4). Потери короткого замыкания при номинальном токе :

Читайте также:  Задача цепь постоянного тока содержит шесть резисторов соединенных смешанно

Для определения электрических переменных потерь короткого замыкания при токах отличных от номинального введем понятие коэффициента загрузки (нагрузки) трансформатора:

т. е. коэффициент загрузки показывает как текущий ток в обмотке трансформатора при определенной нагрузке отличается от тока при номинальной нагрузке. Соответственно при номинальной загрузке когда коэффициент загрузки ; при загрузке трансформатора половиной номинальной мощности когда ток коэффициент загрузки и. т.д.. Обычно токи, отличные от номинальных учитывают стандартными значениями коэффициента загрузки 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25.

С учетом (3.18) переменные потери принимают вид:

За расчетную температуру обмоток – условную температуру, которой соответствуют электрические потери мощности принимают:

— 750 С для масляных и сухих трансформаторов с изоляцией класса нагревостойкости A, E, B.

— 1150 С для масляных и сухих трансформаторов с изоляцией класса нагревостойкости F, H.

Суммарные потери мощности трансформатора с учетом (4.16) и (4.19):

Формулу КПД трансформатора можно преобразовать к виду:

В формуле (4.21) активную мощность можно заменить на призведение:

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

Меняя коэффициент загрузки в (4.22) возможно получить значение мощности для любого тока нагрузки трансформатора. Подставляя (4.20), (4.22) в (4.21) получим формулу для определения КПД трансформатора рекомендуемую ГОСТом:

ГОСТ предписывает вычислять КПД трансформатора косвенным методом по формуле (4.23), так как высокие значения КПД трансформатора не позволяют определять его с достаточной степенью точности путем непосредственного замера мощностей и . Согласно требованиям ГОСТ потери мощности трансформатора определяют по данным опыта холостого хода (потери ) и опыта короткого замыкания (потери ). Получаемый при этом результат имеет высокую точность, потому что в опытах холостого хода и короткого замыкания трансформатор не отдает мощности нагрузке. А вся мощность, потребляемая первичной обмоткой, расходуется на компенсацию потерь мощности трансформатора.

Задаваясь различными значениями в (4.23) строят зависимость КПД от нагрузки трансформатора (рис.4.2). На этом же графике показаны зависимости и . При малых нагрузках трансформатора зависимость линейна и быстро возрастает, так как потери относительно малы. При дальнейшем увеличении нагрузки трансформатора при рост КПД замедляется и достигает пологого максимума, так как сказывается рост потерь короткого замыкания пропорциональных квадрату тока .

Математическое условие экстремума функции КПД получают из равенства производной :

Максимального значения зависимость достигает при равенстве постоянных и переменных потерь мощности. Следовательно, КПД имеет максимум при такой нагрузке, при которой электрические потери в обмотках трансформатора равны магнитным потерям в стали магнитопровода.

Коэффициент загрузки соответствующий максимальному значению КПД определяется из (4.24):

Максимальные значения КПД современных силовых трансформаторов порядка 0,98 – 0,995 при нагрузке . Этом диапазон нагрузок соответствует наиболее вероятной нагрузке трансформатора. При дальнейшем увеличении нагрузки трансформатора КПД снижается, так как растут электрические потери в обмотках трансформатора .

В трансформаторах максимум КПД выражен сравнительно слабо, т. е. сохраняет высокое значение в довольно широком диапазоне нагрузок .

При уменьшении коэффициента мощности КПД снижается, что следует из (4.23).

4.3 Изменение вторичного напряжения при нагрузке.

Внешняя характеристика трансформатора

В силовых трансформаторах ток холостого хода сравнительно мал и не превышает 3 % от номинального. Поэтому при расчетах часто используют упрощенную схему замещения без намагничивающего контура (рис.4.3). Погрешность расчетов вызванная таким упрощением не превышает 0,1 % при токах близких к номинальному. В упрощенной схеме результирующее активное сопротивление обмоток; результирующее индуктивное сопротивление обмоток; результирующее полное сопротивление обмоток трансформатора. По обмоткам схемы протекает ток . Векторная диаграмма приведенного трансформатора при активно-индуктивной нагрузке, соответствующая упрощенной схеме замещения показана на рис. 4.3.

Вектор результирующее активное падение напряжения в приведенном трансформаторе, вектор результирующее индуктивное падение напряжения, результирующее полное падение напряжения:

Векторная диаграмма (рис. 4.3) позволяет определить изменение напряжения трансформатора при изменении нагрузки.

Изменением напряжения трансформатора называют арифметическую разность между вторичным напряжением при холостом ходе и вторичным напряжением при нагрузке, когда первичное напряжение и частота постоянны и равны номинальным значениям , :

где и – вторичные напряжения реального и приведенного трансформатора при холостом ходе. Так как в режиме холостого хода падения напряжения в обмотках трансформатора отсутствуют, то при номинальном напряжении первичной обмотки .

Так же как и напряжение короткого замыкания, изменение напряжения принято обозначать в % или относительных единицах:

Из диаграммы (рис. 4.3) следует, что в виду малости угла за модуль вектора приближенно можно взять его проекцию на направление вектора , т. е. отрезок ОА= . Отрезок ОВ соответствует длине вектора . Если вектор спроектировать на направление вектора ( отрезок ВС) и вектор на это же направление, получим:

Если рассматривать для режима номинальной нагрузки, то процентное изменение напряжения трансформатора из (4.28) c учетом (4.29):

или с учетом (3.46), (3.47)

Используя коэффициент загрузки (см. п. 4.2) получим изменение напряжения трансформатора для нагрузок отличных от номинальной:

Как видно из (4.32) изменение напряжения трансформатора пропорционально току нагрузки и зависит от характера нагрузки, т. е. от угла .

График зависимости при неизменной величине нагрузки =const (рис.4.4) имеет нелинейный характер. Первый квадрант соответствует активно-ндуктивной нагрузке. А второй и третий квадранты – активно-ёмкостной нагрузке. При чисто активной нагрузке ( ) изменение напряжения наименьшее и равно активной составляющей напряжения короткого замыкания . При индуктивной ( , ) или ёмкостной нагрузках , ( ) изменение напряжения . Наибольшее изменение напряжения наблюдается при , Что следует из векторной диаграммы рис. 4.3.

График зависимости при неизменном характере нагрузки (рис.4.5) имеет линейный характер. Чем выше индуктивность нагрузки (меньше ), тем больше изменение напряжения при увеличении нагрузки. При ёмкостной нагрузке изменяет свой знак.

В практике эксплуатации трансформаторов часто пользуются его внешней характеристикой, под которой понимают зависимость напряжения вторичной обмотки от тока нагрузки или от коэффициента загрузки при постоянном номинальном первичном напряжении ( ), номинальной частоте питающей сети ( ) и неизменном характере нагрузки ( ).

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

Внешнюю характеристику получают опытным или расчетным путем.

При опытном определении внешней характеристики возбуждают не нагруженный трансформатор до номинального напряжения первичной обмотки . Измеряют напряжение вторичной обмотки при холостом ходе и фиксируют отсутствие тока во вторичной обмотке . Затем постепенно нагружают трансформатор до номинальной нагрузки и снимают еще 3 – 4 точки внешней характеристики. Семейство внешних характеристик при различном характере нагрузки показано на рис. 4.6. Для расчета внешней характеристики реального трансформатора можно воспользоваться формулой:

где номинальное напряжение вторичной обмотки (при отсутствии нагрузки трансформатора); , составляющие напряжения короткого замыкания, определяемые по формулам (3.46), (3.47).

Для расчета внешней характеристики приведенного трансформатора формула (4.33) принимает вид:

График зависимости имеет линейный характер. Из семейства внешних характеристик (рис.4.6) видно, что чем выше , тем меньше изменяется напряжение трансформатора при переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки, т. е. тем выше проходит характеристика. При активно-индуктивной нагрузке всегда напряжение . При увеличении активно-ёмкостной нагрузки напряжение вторичной обмотки трансформатора при некоторых углах возрастает , так как изменяет знак

Источник

Adblock
detector