18. Что такое “ток холостого хода” трансформатора, где он протекает в трансформаторе? От каких факторов зависит величина тока холостого хода.

Холостой ход трансформатора представляет собой такой режим работы (предельный), когда его вторичная электрическая обмотка разомкнута (не соединена с электроцепью) и сила тока вторичной обмотки приравнивается нулю (то есть I2 = 0). Наблюдение работы холостого хода трансформатора позволяет определить действительный коэффициент трансформации, силу тока, реальные потери и электрическое сопротивление холостого хода трансформатора.

При работе холостого хода трансформатора его первичную обмотку подключают в электрическую сеть переменного синусоидального тока на некоторое номинальное напряжение U1. Под воздействием подсоединённого электрического напряжения по первичной обмотке трансформатора начинает течь некоторая сила тока (который равен электрическому току холостого хода). Сила тока холостого хода трансформатора равна около 5—10% номинального его значения, а в электрических трансформаторах с малой мощностью (примерно десятки вольт-ампер) может достигать величины в 30% и даже больше номинального рабочего.

Величина и форма тока холостого хода определяются магнитным потоком трансформатора и «свойствами   его   магнитной   системы. Магнитный   поток   изменяется   во   времени   синусоидально: Ф = Ф_msinωt, а его амплитуда определяется ЭДС:

Фm = E1/(4,44fw1).

Так как при холостом ходе ЭДС практически равна напряжению, то значение магнитного потока определяется напряжением первичной обмотки, ее числом витков и частотой.

Вопрос № 19 Объясните энергетическую диаграмму трансформатора.

     Преобразование активной мощности трансформатора происходит согласно энергетической диаграмме рис.1.5а, соответствующей схеме замещения рис.1.2а и векторным диаграммам рис.1.3.

     На рис.1.5а символом P_эм обозначена внутренняя электромагнитная мощность трансформатора, определяемая как: Pэм= P₁ – p_эл1 – p_мг,  где P₁=3U₁I₁cosj₁ – активная мощность поступающая в первичную обмотку из сети;  p_эл1 - электрические потери мощности в первичной обмотке трансформатора;  p_мг - магнитные потери в трансформаторе (потери в стали).

     Мощность P₂ отдаваемая трансформатором нагрузке меньше внутренней электромагнитной мощности на величину p_эл2, которая соответствует электрическим потерям мощности во вторичной обмотке трансформатора, то есть

     P₂ = P_эм – p_эл2 = 3U₂I₂cosj₂ = 3U₂’I₂’cosj₂.

     Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора равен:

     h =P₂/P₁.

Вопрос № 20 Что такое намагничивающий ток и в чём его отличие от тока холостого хода?

 Намагничивающий ток I_η является главной составляющей тока холостого хода трансформатора I₁₀. Этот ток является реактивным, т.е. I_η=I_10p. Однако реальный трансформатор в режиме холостого хода потребляет от источника переменного тока некоторую активную мощность, так как при переменном магнитном потоке в стальном магнитопроводе возникают потери энергии от гистерезиса и вихревых токов (магнитные потери ΔP_c). Поэтому ток холостого хода I₁₀ должен иметь еще и активную составляющую , которая обеспечивает поступление в первичную обмотку мощности, компенсирующей магнитные потери (электрическими потерями в первичной обмотке в этом режиме можно пренебречь из-за малости тока холостого ход). Следовательно, ток холостого хода

 или .

Обычно при выполнении магнитопровода трансформатора из листовой электротехнической стали толщиной 0,28-0,50 мм и частоте 50 Гц активная составляющая тока I_10a не превышает 10% от тока I₁₀, поэтому она оказывает весьма малое влияние на значение ток холостого хода (изменяет его не более чем на 1%). Форма кривой тока холостого хода определяется в основном кривой намагничивающего тока.

Таким образом можно сказать что намагничивающий ток это реактивная составляющая тока холостого хода. Тем и отличается, что это тот же ток холостого хода, только без активной составляющей.

Вопрос № 21 Какие процессы будут иметь место в понижающем трансформаторе если его вторичную обмотку включить на напряжение первичной обмотки?

При подаче на вторичную обмотку номинального напряжения первой, трансформатора становится повышающим и увеличивает и без того большое напряжение. Сердечник входит в насыщение, индуктивность первичной обмотки уменьшается и ток резко возрастает, вследствие чего трансформатор скорее всего не выдержит и выйдет из строя.

Принцип работы, на всякий случай:

Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику переменного напряжения u₁, то в ней возникнет ток i₁, который возбуждает в ферромагнитном магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₁. Магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу, пересекает первичную и вторичную обмотки и индуцирует в них э. д. с. e₁ и e₂соответственно.

При подключении к зажимам вторичной обмотки нагрузки с сопротивлением Z_H под воздействием э. д. с. e₂ через нее будет протекать переменный ток I₂ и энергия из цепи первичной обмотки будет передаваться в цепь вторичной обмотки за счет переменного магнитного потока Ф₁. Вторичный ток i₂ образует в сердечнике трансформатора свой собственный магнитный поток Ф₂, который накладывается на поток первичной обмотки. В результате в магнитопроводе создается общий магнитный поток Ф, который сцепляется с витками обеих обмоток. Этот поток называют основным или рабочим потоком трансформатора.

Вопрос № 22 Какие процессы будут иметь место в повышающем трансформаторе если его вторичную обмотку включить на напряжение первичной обмотки?

При подаче на вторичную обмотку номинального напряжения первой, трансформатора становится понижающим и уменьшает и без того маленькое напряжение.Сердечник далек от насыщения и ток мал и трансформатор не отдает свою габаритную мощность, работает в недогружённом режиме. А чем сильнее трансформатор недодгружен, тем меньше его кпд.

Принцип работы, на всякий случай:

Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику переменного напряжения u₁, то в ней возникнет ток i₁, который возбуждает в ферромагнитном магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₁. Магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу, пересекает первичную и вторичную обмотки и индуцирует в них э. д. с. e₁ и e₂соответственно.

При подключении к зажимам вторичной обмотки нагрузки с сопротивлением Z_H под воздействием э. д. с. e₂ через нее будет протекать переменный ток I₂ и энергия из цепи первичной обмотки будет передаваться в цепь вторичной обмотки за счет переменного магнитного потока Ф₁. Вторичный ток i₂ образует в сердечнике трансформатора свой собственный магнитный поток Ф₂, который накладывается на поток первичной обмотки. В результате в магнитопроводе создается общий магнитный поток Ф, который сцепляется с витками обеих обмоток. Этот поток называютосновным или рабочим потоком трансформатора.

Вопрос №23 Как распределтся нагрузка между двумя паральельно работающими трансформаторами если их Uк не равны, приведите доказательство.

Нагрузка между трансформаторами распределяется прямо пропорционально их мощностям и обратно пропорционально Uк. В общем случае неравенство Uк приводит к недогрузке одного трансформатора и перегрузке другого. Таким образом, при включении на параллельную работу трансформаторов с различными Uк трансформатор с меньшим Uк примет на себя большую нагрузку. Поэтому допускается отклонение Uк не более чем ±10%, а отношение мощностей не более 1:3.

Вопрос №24 В чем сущность «эквивалентной» замены вторичной обмотки трансформатора? Зачем и как реальная обмотка заменяется иной, с другими параметрами и другими значениями тока и напряжения?

Для упрощения анализа и расчета режимов работы трансформатора пользуются способом, при котором одна из его обмоток приводится к другой. Смысл приведения состоит в том, чтобы сделать ЭДС первичной и вторичной обмоток одинаковыми, электромагнитную связь между обмотками заменить электрической связью и получить единую электрическую схему замещения трансформатора, построить другую, более простую и наглядную векторную диаграмму. Чаще всего вторичную обмотку приводят к первичной. Для этого условно заменяют реальную вторичную обмотку некоторой фиктивной обмоткой с числом витков:

т.е. увеличивают число ее витков в k раз. Таким образом, коэффициент приведения вторичной обмотки к первичной равен коэффициенту трансформации. Все параметры приведенной обмотки обозначают со штрихами:

и т.д. В приведенной обмотке в соответствии с новым числом витков увеличиваются все ЭДС, напряжения и падения напряжения, т.е.:

Важным условием приведения является то, чтобы мощности и потери энергии во вторичной обмотке не изменялись. Для этого должны выполняться равенства:

из которых получаются соотношения для тока и активного сопротивления приведенной вторичной обмотки:

Аналогично  последнему соотношению изменяются индуктивное сопротивление рассеяния приведенной вторичной обмотки и параметры нагрузки:

Для полных сопротивлений справедливы соотношения:

Если таким образом изменить (условно конечно) все электрические величины вторичной обмотки, то энергетические соотношения в реальном и приведенном трансформаторе сохраняются без изменений и поэтому приведение правомерно. При этом необходимо помнить, что приведение — это чисто аналитический прием, позволяющий упростить расчеты и анализ физических процессов в реальном трансформаторе.

29.

кпд зависит от потерь мощности, чем больше потери, тем меньше пкд, потери мощности бывают постоянные( не зависящие от тока нагрузки - потери в сердечнике трансформатора) и переменные ( зависящие от тока нагрузки -потери в токоведущих частях ЛЭП, обмотках трансформатора). Ну и вот, уменьшая сопротивление нагрузки, уменьшаешь потери и увеличиваешь КПД.

30. X₀ – учитывает намагниченность материала сердечника и зависит от марки материала (в идеальном трансформаторе Z₀ стремится к 0); X_S1, X_S2 – индуктивности рассеяния основного потока в обмотках первичной и вторичной цепей; Потоки рассеяния Ф1 и Ф2 первичной и вторичной обмоток обычно очень малы по сравнению с основным магнитным потоком, так как магнитные линии потоков рассеяния замыкаются через воздух (или другой изоляционный материал) и встречают на своем пути очень большое магнитное сопротивление, тогда как основной магнитный поток замыкается по стали магнитопровода и встречает, на своем пути относительно малое магнитное сопротивление.

31. Группа соединения обмоток трансформатора - Угловое смещение векторов линейных электродвижущих сил обмоток (сторон) среднего и низшего напряжений по отношению к векторам соответствующих элетродвижущих сил обмотки (стороны) высшего напряжения. Группа соединения трансформатора характеризует сдвиг по фазе между векторами линейных напряжений первичной и вторичной обмоток. Группу соединения принято выражать числом, полученным от деления на 30 угла (в градусах), на который отстает вектор вторичного напряжения от соответствующего вектора первичного напряжения.

32.С увеличением площади поперечного сечения, ток уменьшается . Магнитная индукция В также уменьшается, исходя из уравнения E=4.44*f*w*Ф, где Ф=B*s.

33. При синусоидальном напряжении и потока, как холостого хода имеет

несинусоидальную форму, за счет насыщения железа в области амплитуды потока

В большинстве трансформаторов применяются ферромагнитные сердечники для большего значения ЭДС, индуктируемого во вторичных обмотках. Ферромагнетики имеют крайне нелинейную характеристику намагничивания с насыщением и неоднозначностью (гистерезисом), которой обусловливается характер напряжений и токов в трансформаторе: при глубоком насыщении трансформатора первичный ток резко возрастает, его форма становится несинусоидальной: в нём появляются составляющие третьей гармоники.

34. С уменьшением числа витков уменьшится индуктивность и индуктивное сопротивление, значит, при том же напряжении ток возрастет. С увеличением числа витков увеличивается индукция.

35. Обратимся к трехфазному трансформатору с соединением обмотокY₀/Y. Будем считать, что с первичной стороны трансформатора выведена нулевая точка, которая соединена с нулевой точкой обмотки генератора трехфазного тока рис. 2-43.

Рис. 2-43. Третьи гармоники намагничивающих токов трехфазного трансформатора при соединении обмоток Y₀/Y.

 В этом случае намагничивающие токи фаз будут иметь третьи гармоники. Они совпадают по фазе и, следовательно, будут все направлены или oт генератора к трансформатору, или обратно. По нулевому проводу будет проходить ток, равный тройному значению третьей гармоники тока.

При отсутствии нулевого провода (при Y/Y) в кривых фазных намагничивающих токов третьи гармоники не могут иметь места, так как теперь для них нет замкнутого пути. Следовательно, в кривых фазных потоков появятся третьи гармоники, которые будут наводить в фазах обмотки третьи гармоники э.д.с.

Наиболее резко третьи гармоники будут проявляться в кривых фазных э.д.с. трехфазной группы и трехфазного броневого трансформатора. Здесь магнитное сопротивление для третьей гармоники потока мало, так как она проходит по стальному, сердечнику, как и первая гармоника; поэтому она может достичь относительно больших значений: при обычных насыщениях сердечником указанных трансформаторов амплитуда третьей гармоники фазной э.д.с. достигает 40—50% амплитуды первой гармоники той же э.д.с. В трехфазном стержневом трансформаторе при соединении обмотокY/Y в кривых фазных э.д.с. также будут иметь место третьи гармоники. Однако здесь вследствие большого магнитного сопротивления для третьих гармоник потоков фаз они относительно малы: их амплитуда обычно не пре­вышает 5—7% амплитуды первой гармоники фазной э.д.с. Увеличение магнитного сопротивления для третьих гармоник фазных потоков объясняется тем, что они в любой момент времени будут направлены по стержням трансформатора или вверх, или вниз и не могут, следовательно, замыкаться по стальному сердечнику, а принуждены часть пути проходить по воздуху или маслу, как показано на рис. 2-44.

36. Распределение нагрузок S1 и S2 между параллельно работающими трансформаторами подчинено уравнению

S1 / S2 = (S1ном / S2ном) х (Uк2_* / Uк1_*),

где S1ном, S2ном - номинальные мощности, Uк1_*, Uк2_* - напряжение короткого замыкания трансформаторов, включаемых на параллельную работу. Некоторое перераспределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами с различными напряжениями короткого замыкания осуществляют изменением их коэффициентов трансформации путем переключения ответвлений первичных обмоток. Переключение необходимо выполнять так, чтобы у недогруженных трансформаторов вторичное напряжение при холостом ходе было выше, чем у трансформаторов, работающих с перегрузкой. В виде исключения допустима параллельная работа трансформаторов с разными коэффициентами трансформации и неодинаковыми напряжениями короткого замыкания при непременном условии, чтобы ни один из трансформаторов не был перегружен сверх установленных норм. Если трансформаторы имеют разные коэффициенты трансформации, то величина ЭДС может быть приближенно вычислена по выражению.

Примем для определенности , тогда ЭДСбудет находиться в противофазе с напряжением. Примодуль уравнительного тока, вызванного этой ЭДС, составит,а его фаза будет определяться аргументами комплексных сопротивленийи. Появление уравнительного тока приведет к уменьшению нагрузки первого трансформатора и ее увеличению у второго (рис. 32). Для того, чтобы не вызвать серьезного нарушения параллельной работы трансформаторов, различие в коэффициентах трансформации не должно превышать 0,5%. При равенстве коэффициентов трансформации, и ток нагрузки будет распределяться обратно пропорционально сопротивлениям:.

37. . Падение напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния в первичной обмотке I₀x₁ мало по сравнению с I₀x_m, и им обычно пренебрегают. На основании сказанного можно счи-тать:

. То есть при увеличении U1 увеличивается, z0 и следовательно увеличивается Xm

38. потери короткого замыкания . Электрические потери определяются с помощью опыта короткого замыкания. Для этого к первичной обмотке трансформатора подводят пониженное напряжение. Величина этого напряжения выбирается исходя из того что. При коротком замыкании во вторичной обмотке, в первичной протекал ток номинального значения, для данного трансформатора. Следовательно, токи не превысят номинальные и повреждение трансформатора при этом не произойдет.

Объяснить зависимость мощности короткого замыкания от напряжения

Опыт короткого замыкания. По данным, полученным в опыте короткого замыкания и сведенным в табл. 1.2, строят характеристики короткого замыкания

.

Характеристики короткого за-мыкания показаны на рис. 1.6. При весьма слабом насыщении магнит-ной цепи трансформатора, что имеет место при опыте короткого за- мыкания, зависимости ив пределах от нуля до номинального значения тока прямолинейны. Значениеопределяется по формуле

.

Потери в трансформаторе в опыте короткого замыкания состоят из электрических потерь в обмотках и магнитных потерь в стальном сердечнике. Поскольку при коротком замыкании потери в стали малы и ими можно пренебречь, мощность, потребляемая трансформатором в режиме короткого замыкания, с достаточной точностью может быть принята равной сумме электрических потерь обмоток:

.

39. По данным опыта холостого хода трансформатора определяется ток холостого хода I0, потери в стали сердечника Рст и коэффициент трансформации n.  Ток холостого хода I0 измеряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора.  При испытании трехфазного трансформатора определяется фазный ток холостого хода. О потерях в стали сердечника Рст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора. Коэффициент трансформации трансформатора равен отношению показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток. По данным опыта короткого замыкания определяется напряжение короткого замыкания uк%, его активная uа% и реактивная uх% составляющие, потери на нагревание обмоток трансформатора Ро6м при номинальной нагрузке и активное, реактивное и полное сопротивления трансформатора при коротком замыкании RK, XK иZK. Потери в обмотках измеряются ваттметром.