Режим холостого хода. В этом режиме цепь нагрузки разомкнута или нагрузка обладает бесконечно большим сопротивлением.

В режиме холостого хода по показаниям подключенных измерительных приборов определяют коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе трансформатора. Это одно из обязательных контрольных испытаний изготовленного трансформатора.

При номинальном первичном напряжении U_1ном ток холостого хода I_{1х. х} составляет 3 - 10 % от номинального первичного тока, и тем меньше, чем больше номинальная полная мощность трансформатора. Ток во вторичной цепи отсутствует, так что E_2х = U_2х . Коэффициент трансформации определяется после измерения U_1х и U_2х .

п₂₁ = W₂ / W₁ = U_2х / U_2х.

Мощность потерь в трансформаторе при холостом ходе мала. При номинальной мощности силового трансформатора 5 … 50 кВА мощность потерь составляет 1,4 … 0,9 %, мощность потерь уменьшается с увеличением номинальной мощности трансформатора.

Потери в режиме холостого хода определяются потерями в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи, а также на добавочные потери (на вибрацию листов на стыках, потери в конструктивных деталях и т.д.).

Для большинства трансформаторов допустимый верхний предел длительного повышения напряжения при холостом ходе U_1хх составляет 1,1U_1ном, что следует всегда иметь ввиду.

Режим короткого замыкания. Это может быть как аварийный режим короткого замыкания нагрузки в условиях эксплуатации, так и испытательный режим (один из обязательных испытательных режимов).

Чем выше номинальное напряжение обмоток трансформатора, тем больше напряжение U_к.з . Например, при номинальной мощности 3200 - 4200 кВА и номинальном высшем напряжении 35 кВ напряжение U_{к. з} = 7 %.

Режим короткого замыкания трансформатора является аварийным, так как трансформатор сильно нагревается и перегрев может вызвать его разрушение.

Номинальный и рабочий режимы. При номинальном режиме напряжение (U₁ = U_1ном) и ток (I₁ = I_1ном) первичной обмотки соответствуют номинальным значениям, при рабочем режиме: U₁ = U_1ном, I₁ < I_1ном .

В рабочем режиме вторичное напряжение U₂ и ток I₂ определяются комплексным сопротивлением нагрузки.

Рабочий режим трансформатора описывается внешней характеристикой трансформатора: зависимостью изменения вторичного напряжения U₂ от тока нагрузки I₂ = I₁ / n₂₁ при постоянном коэффициенте мощности приемника ₂ = const и номинальном первичном напряжении (₂ – фазовый сдвиг между U₂ и I₂). Часто такую зависимость представляют в относительных единицах:

.

Отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на входе называется КПД трансформатора:

, .

КПД трансформатора зависит от значений коэффициента мощности приемника cos  и коэффициента загрузки. При номинальных значениях и , коэффициенте мощности приемника и коэффициенте загрузки, близком к единице, КПД трансформаторов, особенно мощных, приближается к 99 %.

При проектировании трансформаторов учитывается, что значительную часть времени трансформатор недогружен. Поэтому трансформатор обычно рассчитывают так, чтобы максимум КПД соответствовал средней нагрузке.

4. Особенности трехфазных трансформаторов

Все вышесказанное для однофазного трансформатора можно распространить на каждую фазу трехфазного трансформатора.

Для трехфазной сети можно воспользоваться трехфазной группой – тремя однофазными трансформаторами. Но их можно объединить и в одну трехфазную группу, что позволяет получить экономию материала (рис. 65). Такое объединение сопоставимо со схемой соединения трехфазной системы «звездой». Но при симметричной нагрузке в трехфазной системе не нужен нулевой провод. В трехфазном трансформаторе нейтральному проводу соответствует общий центральный стержень.

А

В

С

х

у

z

а

b

c

х

z

у

Рис. 66. Трехфазный трансформатор с несимметричным магнитопроводом

Рис. 65. Трехфазная группа

Так как сумма мгновенных значений трех магнитных потоков при симметричной нагрузке равна нулю, центральный стержень можно удалить.

Симметричный магнитопровод неудобен в изготовлении, поэтому его обычно заменяют несимметричным магнитопроводом (рис. 66). У такого трансформатора проявляется неравенство намагничивающих токов отдельных фаз из-за неравенства магнитных сопротивлений стержней. Однако эта несимметрия существенного значения не имеет.

Таким образом, трансформаторная группа из трех трансформаторов дороже, чем трехфазный трансформатор той же мощности. У нее больше массо-габаритные характеристики, ниже коэффициент полезного действия.

Но для случая аварии при ремонте проще заменить один трансформатор группы, чем трехфазный трансформатор. Иначе говоря, трехфазная группа имеет большую надежность. Кроме того, для мощных трехфазных трансформаторов вопросы перевозки и установки более проблематичны.

Обмотки трансформатора обозначаются: А, В, С – начало, X, Y, Z – конец первичных обмоток; а, в, с – начало, x, y, z – конец вторичных обмоток; схема соединения - Y или Δ.

Соединение обмоток трехфазного трансформатора «звездой» широко используется для трансформаторов малой и средней мощности (до 1800 кВА). Это соединение наиболее желательно при высоких напряжениях, так как при таком соединении изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение.

Соединение «треугольником» конструктивно оправданно при больших токах. По этой причине соединение Υ/Δ наиболее распространено для мощных понижающих трансформаторов, если на стороне низшего напряжения не нужен нулевой провод.

Для трехфазного трансформатора только отношение фазных напряжений приближенно равно коэффициенту трансформации, а отношение линейных напряжений зависит от вида соединения обмоток. При различных соединениях (Υ/Δ или Δ /Υ) отношение линейных напряжений меньше или больше коэффициента трансформации n₂₁ в раз.

Таким образом, вторичные линейные напряжения трехфазного трансформатора можно изменять путем изменения схемы соединения обмоток.

5. Автотрансформаторы. Трансформаторы тока

Автотрансформатор, в отличие от трансформатора, имеет только одну обмотку высокого напряжения (BH), а обмоткой низкого напряжения (НH) служит часть обмотки ВН (рис. 67). Обмотка BH может быть как первичной, так и вторичной. Автотрансформаторы применяются в цепях, где отношения не превышают 2.

Рис. 67. Схемы включения автотрансформаторов

В лабораторных автотрансформаторах (ЛАТР) имеется возможность плавного изменения тока с помощью подвижного контакта.

Трехфазные автотрансформаторы обычно соединяются по схеме «звезда» с выведенной нейтральной точкой и без нее.

Трансформаторы тока (ТТ) используются для измерения тока в цепях высокого напряжения, чем обеспечивается выполнение мер безопасности, а также для измерения больших токов в установках с напряжением меньше 1000 В.

Трансформаторы тока со стороны первичной обмотки включаются как амперметр (в разрыв цепи), во вторичную цепь ТТ включаются измерительные приборы (на рис. 68 Л₁, Л₂ – точки начала и конца подключения линии сети; И₁, И₂ – точки начала и конца подключения измерительного амперметра (измерительного прибора).

Рис. 68. Трансформатор тока:

а - структура; б - схема включения

Первичная обмотка ТТ состоит из одного или нескольких витков, толщина которых удовлетворяет требованиям предельной токовой нагрузки в сети. Напряжение на первичной обмотке обычно не превышает сотых долей вольт. Вторичная обмотка ТТ включает до сотни витков. Напряжение на ней составляет единицы вольт. Ток во вторичной цепи определяется соотношением

I₂ = I₁ · = .

Вторичный номинальный ток для всех ТТ имеет стандартное значение 5А (в некоторых специальных случаях 1А).

Так как суммарное сопротивление цепи измерительных приборов мало (до 2 Ом), то ТТ работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания.

У работающего ТТ нельзя разрывать вторичную цепь. Ток I₂ в этом случае равен 0, а ток I₁ не изменяется. Ток I₁ при этом становится намагничивающим (при замкнутой вторичной цепи намагничивающий ток зависит от тока вторичной цепи) и вызывает большое увеличение магнитного потока (ограниченное насыщением магнитопровода). ЭДС Е₂ пропорциональна магнитному потоку и может составлять от сотен вольт до единиц киловольт, опасных для жизни человека. Кроме того, резко возрастает мощность потерь в магнитопроводе, приводящая к его разогреву и расширению и как результат к разрушению.

Трансформаторы напряжения и тока делятся по классам точности, наименованием которых служит наибольшая допустимая погрешность коэффициента трансформации.

Например, если класс точности трансформаторов напряжения 0,5, то допустимая погрешность напряжения  0,5 % при первичном напряжении 0,8 … 1,2 от номинального. У ТТ класса точности 1 допустимая погрешность вторичного тока  1 % при первичном поле 0,1 … 1,2 от номинального.

Заключение. Силовые трансформаторы как элементы электросетей нашли широкое применение. Их основное предназначение – преобразование переменного электрического напряжения к уровню, соответствующему решаемой сетью задаче. Мощности современных сетевых силовых трансформаторов достигают сотен мегаватт.

В качестве элементов систем измерения параметров сетевых напряжений используются трансформаторы напряжения и тока. Их основное предназначение – защита персонала, выполняющего измерение, от поражения электрическим током путем согласования параметров измерительных приборов (вольтметров и амперметров) с характеристиками питающей сети.

Трансформатор – это надежное электротехническое устройство, редко выходящее из строя при соблюдении правил эксплуатации. Причиной выхода из строя (разрушения) трансформатора, как правило, является короткое замыкание во вторичной цепи.

В РЭА трансформаторы используются как элементы преобразования уровней напряжения в цепях питания, межкаскадного или внутрикаскадного согласования, как элементы схем формирования импульсных сигналов.

Отличительная особенность трансформаторов РЭА от силовых сетевых трансформаторов – значительно меньшая мощность (до сотен ватт, реже – единиц киловатт).

1. Дайте определение трансформатора. 2. Из каких материалов выполняется магнитопровод? 3. Как определить коэффициент трансформации? 4. Расшифруйте номенклатурное обозначение трансформаторов: ТН6 – 127/220 –50 УХЛ; ТПП3 – 220-50 В. 5. Какой режим работы трансформатора является аварийным и почему? 6. Как соединяются обмотки трехфазного трансформатора? 7. Для каких целей используется автотрансформатор? Чем он опасен при применении? 8. Почему у работающего трансформатора тока нельзя разрывать вторичную обмотку?

Лекция 9