6.2 Режимы работы, потери энергии и кпд трансформатора

Рассмотрим следующие режимы: холостой ход, рабочий, короткое замыкание.

Режим холостого хода. В режиме холостого хода трансформатора первичная обмотка включена в сеть под номинальным напряжением U_1ном., а вторичная обмотка разомкнута I₂ = 0:

.

Рисунок 6.2 - Схема опыта холостого хода однофазного трансформатора

Рабочий режим: так как то .

Напряжение U₂ приложено к зажимам электроприёмника, поэтому интерес представляет изменение напряжения на выходе трансформатора при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной (ΔU, %)

, в которой [U_ka, U_kp ]=%.

Знак «+» относится к индуктивности, а знак «-« - к ёмкостной нагрузке.

Режим короткого замыкания. В режиме короткого замыкания U₁ имеет определённое значение, а U₂=0.

Рисунок 6.3 - Схема опыта «короткого замыкания» однофазного трансформатора

Этот режим очень опасен для трансформатора, так как токи в обеих обмотках резко увеличиваются в 10-20 раз в сравнении с номинальными значениями токов, а сопротивления обмоток очень малы. В этой ситуации, предусматривается противоаварийная защита трансформатора, отключающая трансформатор от сети.

Испытательное короткое замыкание трансформатора проводят преднамеренно, причём, U₁ =U_к.з. при котором в обеих обмотках устанавливаются токи равные номинальным токам данного трансформатора:

, так как и именно поэтому . При испытательном коротком замыкании ваттметр на первичной стороне трансформатора показывает мощность потерь в обмотках при номинальных токах.

, m – число фаз.

6.3 Потери энергии и кпд трансформатора

Преобразование напряжений и токов трансформаторов сопровождается потерями энергии: магнитными (потери в стали магнитопровода) и электрическими (в обмотках трансформатора) . Амплитуда магнитного потока Ф_М в магнитопроводе трансформатора при постоянстве амплитуды и частоты напряжения сети остаётся практически неизменной независимо от токов в обмотках

Электрические потери можно выразить через мощность потерь короткого замыкания ;

где - коэффициент нагрузки трансформатора.

Активная мощность приёмников:

.

Хотя работа трансформатора заключается в передаче полной мощности, его КПД определяют по передаваемой активной мощности и потерям энергии:

Обычно . Следовательно, наибольшее значение КПД трансформатора будет при токе нагрузки 50 – 70 % номинального.

Рисунок 6.4 – Зависимость КПД трансформатора и активной мощности нагрузки

от коэффициента нагрузки трансформатора

Максимальный КПД силовых трансформаторов достигает 99,5%.

6.3 Группы соединения трансформаторов

Трансформирование энергии в трёхфазной цепи можно осуществлять тремя однофазными трансформаторами или специальным трёхфазным трансформатором. В большинстве случаев применяют трёхфазные трансформаторы, так как они дешевле и имеют меньшие габариты, чем группа однофазных. Только при передаче электрической энергии большой мощности используют однофазные трансформаторы, что объясняется условиями технологического процесса изготовления мощных трансформаторов и возможностью их перевозки.

Векторы магнитных потоков в трех стержнях образуют не симметричную звезду, но не симметрия мала и ею можно пренебречь при малой и средней мощности трансформаторов. Поэтому силовой трансформатор не имеет четвёртого замыкающего стержня (так же, как нет нейтрального провода у трёхфазных линий передачи электрической энергии).

Обмотки трёхфазных генераторов могут соединяться «звездой» и «треугольником» с учётом разметки выводов всех фаз обмоток, выполненной на заводе.

Группа соединений обмоток трёхфазного трансформатора определяется цифрой циферблата часов, на которую «указывает» вектор линейного вторичного напряжения при условии, что вектор линейного первичного напряжения «направлен на ноль часов».

Для одной фазы трёхфазного трансформатора .

Применяют, главным образом, три способа соединения обмоток трёхфазного трансформатора:

Соединение первичных и вторичных обмоток «звездой»: ;

соединение первичных обмоток «звездой», вторичных – «треугольником»: ;

соединение первичных обмоток «треугольником», вторичных – «звездой»: .

Чаще всего применяют три схемы и две группы соединения обмоток трансформаторов. В основе деления трансформаторов по группам соединения находится угол сдвига фаз между линейным напряжением – первичным и вторичным. Группу соединения принято обозначать, составляя относительные положения векторов этих напряжений с положением стрелок на циферблате часов.

Таблица 6.1 - Группы соединения обмоток трансформатора

Схемы соединения обмоток		Диаграммы векторов		Условное обозначение
Первичная	Вторичная	Первичная	Вторичная
	o a b c x y z	А B C	a 0 b c	12
		B А C		11
А B С 0 Y Z X	А	B С 0		11 Δ

Трансформаторы можно включить на параллельную работу, если у них:

1. Группа соединений одна и та же;

2. Первичные и вторичные номинальные напряжения одни и те же;

3. Напряжения короткого замыкания одинаковы ( 10%).

Если не выполняется 1 и 2 условия, то возникают большие «уравнительные» токи, что равносильно короткому замыканию (сопротивление обмоток мало). Третье требование означает, что при параллельной работе трансформаторов нагрузка между ними распределяется пропорционально мощности.