11. Режим кз трансформатора (лабораторный и аварийный), электрическая схема, схема замещения, назначение опыта, основные параметры.

У словие: R_н = 0.

Различают кз лабораторное и аварийное.

Лабораторное кз: с помощью регулируемого источника постепенно увеличивают напряжение U₁ с 0 до такого значения, чтобы ток при этом стал равным I_1ном. (предельно допустимый). Полученное при этом напряжение называют напряжением короткого замыкания U_к. Обычно U_к мало и составляет (5 ÷ 10%) U_ном.

Опыт позволяет определить потери мощности в катушках (обмотках) при номинальном токе (т. е. максимально допустимые). Величину этих потерь определяют по ваттметру.

Если по трансформатору будут протекать токи I < I_ном., то потери в обмотках: ∆Р_обм. = β²P_к, где β = I/I_ном. — коэффициент загрузки.

О ткуда следует, что потери мощности в обмотках зависят от величины нагрузки и изменяются по параболической зависимости:

Загрузка трансформатора, при которой ∆Р_обм. = ∆Р_ст., является оптимальной, т. к. η при этой нагрузки максимальный (наиболее выгодный режим работы).

Сопутствующие формулы в режиме кз: ; ; .

Аварийное кз возникает при закороченной вторичной обмотке и номинальном напряжении U₁. Аварийный ток кз можно найти из соотношения: .

12. Рабочий режим трансформатора (нагрузочный): внешняя и рабочая характеристики.

Рассмотрим влияние нагрузки на работу трансформатора.

В этом режиме определяется внешняя характеристика трансформатора, показывающая, как меняется напряжение U₂ = f(I₂), где I₂ — загрузка трансформатора.

Напряжение снижается, что является, как правило, недостатком трансформатора.

Зависимость η = f(I₂) и cosφ = f(I₂):

13. Электрическая диаграмма трансформатора, расчёт кпд и его зависимость от нагрузки.

Рис. 2.27. Полные векторные диаграммы трансформатора при активно-индуктивной (а) и активно-емкостной (б) нагрузках

Построение диаграммы начинают с вектора потока Ф́0, который создается током холостого хода Í0, Этот ток опережает вектор потока Ф́m на угол γ = 5÷10. Вектор ЭДС É1, как и É2, отстает от потока Ф́m на угол 90. Ток в первичной обмотке трансформатора Í1 = Í0 + (-Í2w2/w1), поэтому на рис 2.26,б нужно показать и вектор тока Í2, сдвинутый на угол ψ2 относительно вектора É1 (векторы É1 и É2 совпадают по направлению). Зная Í2, можно изобразить вектор -Í2w2/w1 и получить вектор Í1 как сумму векторов Í0 и -Í2w2/w1.

Найдя вектор тока Í1, можно определить значения векторов Í1R1 и jÍ1X1 и построить искеомый вектор напряжения Ú1 как сумму трех составляющих: векторов -É1 и падений напряжений в обмотках Í1R1 и jÍ1X1.

При работе в трансформаторе возникают потери энергии. Коэффициентом полезного действия трансформатора (КПД) называют отношение отдаваемой мощности Р2 к мощности Р1 поступающей в первичную обмотку: η = P2/P1 = (U2I2 cos φ2)/(U1I1 cos φ1)

или η = (Р1 - ΔР)/Р1 = 1 - ΔР/(Р2 + ΔР), где ΔР — суммарные потери в трансформаторе.

Высокие значения КПД трансформаторов не позволяют определять его с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей Р1 и Р2, поэтому его вычисляют косвенным методом по значению потерь мощности.

П ри передаче энергии из первичной обмотки во вторичную возникают электрические потери мощности в активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток ΔРэл1 и ΔРзл2, а также магнитные потери в стали магнитопровода ΔРм (от вихревых токов и гистерезиса). Поэтому Р2 = Р1 - ΔРэл1 - ΔРэл2 - ΔРм и формулу можно представить в виде η = P2/P2 + ΔPэл1 + ΔPэл2 + ΔPм = 1 - (ΔPэл1 + ΔPэл2 + ΔPм)/(P2 + ΔPэл1 + ΔPэл2 + ΔPм).

Величину Рэм = Р1 — ΔРэл1 — ΔРм, поступающую во вторичную обмотку, называют внутренней электромагнитной мощностью трансформатора. Она определяет габаритные размеры и массу трансформатора

η = 1 - (β2Pк + P0)/(βSномcosφ2 + β2Pк + P0).

14. Схема замещения трансформатора, приведение параметров и их определение.

П араметры схемы замещения для любого трансформатора можно определить по данным опытов хх и кз.

Опыт хх. К зажимам одной из обмоток посредством регулятора напряжения подводят номинальное напряжение U0 = U1ном; к другой обмотке подключают вольтметр (ее можно считать разомкнутой). Измерив ток холостого хода I₀ и мощность Р0, потребляемую трансформатором, согласно схеме замещения находим

Z1+ Zm = U0/I0; R1 + Rm = P0/I₀²; X1 + Xm = √(Z1 + Zm)² - (R1 + Rm)²

Так как ток холостого хода мал по сравнению с номинальным током трансформатора, электрическими потерями ΔPэл1 = I₀²R1 пренебрегают и считают, что вся мощность, потребляемая трансформатором, расходуется на компенсацию магнитных потерь в стали магнитопровода. При этом Р0 = I₀²(R1 + Rm) ≈ I₀²Rm, откуда Rm = P0/I₀².

Аналогично считают, что X1 + Хт ≈ Хт, так как сопротивление Хт определяется основным потоком трансформатора Ф (потоком взаимоиндукции), а Х1 — потоком рассеяния Фσ1, который во много раз меньше Ф. Поэтому с большой степенью точности полагают, что Zm = U0/I0; Xm = √Zm² - Rm².

Измерив напряжения U0 и U20 первичной и вторичной обмоток, определяют коэффициент трансформации k = U0/U20.

Опыт короткого замыкания. Вторичную обмотку замыкают накоротко (сопротивление Zн = 0), а к первичной посредством регулятора напряжения подводят пониженное напряжение Uк такого значения, при котором по обмоткам проходит номинальный ток Iном. В мощных силовых трансформаторах напряжение Uк при коротком замыкании обычно составляет 5 — 15% от номинального. В трансформаторах малой мощности напряжение Uк может достигать 25-50% от Uном.

Так как поток, замыкающийся по стальному магнитопроводу, зависит от напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора, а магнитные потери в стали пропорциональны квадрату индукции, т.е. квадрату магнитного потока, то ввиду малости Uк пренебрегают магнитными потерями в стали и током холостого хода. Параметры этой схемы определяют из следующих соотношений: Zк = Z1 + Z'2 = Uк/Iном;

Rк = R1 + R'2 = Pк/I2ном;

Xк = X1 + X'2 + √Zк2 - Rк2

Разделить Zк на составляющие Z1 и Z'2 довольно трудно. Обычно принимают схему замещения симметричной, полагая Z1 = Z'2 = 0,5Zк. Это допущение близко к действительности и не вносит ощутимых погрешностей в расчеты.

В ГОСТах и паспортах трансформаторов указывают относительное напряжение короткого замыкания при номинальном токе в процентах от номинального напряжения:uк = (IномZк/Uном)100.

Аналогично можно выразить относительные значения его активной и реактивной составляющих (в %): uк.а = (IномRк/Uном)100; uк.p = (IномXк/Uном)100.

При этом uк.а = uкcosφк; uк.р = ик sin φк; uк = √u2к.а + u2к.р

По известному значению ик можно определить установившийся ток короткого замыкания в реальных условиях эксплуатации (при номинальном напряжении): Iк = Uном/Zк = Uном/[uкUном/(100Iном)] = 100Iном/uк.