Основы_электротехники

В режиме нагрузки (при замыкании ключа К) через вторичную обмотку w2 начнет проходить ток i2, который создаст в магнитопроводе МДС F2 = i2 w2 и магнитный поток Ф2 . В соответствии с законом электромагнитной индукции поток Ф2 будет направлен навстречу потоку Ф1 , поэтому суммарный поток в сердечнике уменьшится и, следовательно, уменьшится индуктивное сопротивление обмотки w1 , которое пропорционально потоку Ф . Так как входное напряжение постоянно, то действующее значение тока I1 увеличится, повышая значение суммарного потока Ф до первоначального значения потока Ф1 .

Таким образом, возрастание действующего значения тока I2 во вторичной обмотке приведет к соответственному увеличению действующего значения тока I1 в первичной обмотке, а суммарный поток в магнитопроводе после окончания переходных процессов останется практически неизменным.

Рассмотренные физические процессы в режиме холостого хода трансформатора можно описать математически.

Пусть синусоидальный входной ток с помощью синусоидальной МДС F1 = i1 w1 создает синусоидальный магнитный по-

Из (4.12) для 2 f можно записать действующее значение ЭДС первичной обмотки E1 следующим образом:

80

Аналогичным образом можно найти действующее значение ЭДС вторичной обмотки:

где k – коэффициент трансформации трансформатора.

Поскольку ЭДС E1 и E2 прямо пропорциональны соответствующим напряжениям U1 и U2, выражение (4.15) можно записать так:

Известно, что при нагрузках близких к номинальным коэффициент полезного действия η трансформатора примерно равен единице (η = 0,95–0,98), т.е. номинальные полные мощности первичной S1H и вторичной S2H обмоток примерно равны между собой (S1H = S2H) и можно записать:

Подставив (4.17) в (4.16), для нагрузочного режима работы трансформатора, близкого к номинальному, получим основное уравнение однофазного трансформатора:

81

и не выполняется в режиме холостого хода трансформатора.

Например, в режиме холостого хода ток I2 равен нулю, а ток I1 равен току холостого хода I1X, значение которого составляет

5 % от номинального тока первичной обмотки (I1X = 0,05I1H). Трансформатор называется повышающим, если U2 U1,

ипонижающим, если U2 U1.

4.6.Режимы работы, параметры и характеристики

однофазных трансформаторов

Однофазные трансформаторы могут работать в трех режимах: режиме холостого хода, режиме короткого замыкания и нагрузочном режиме.

Врежиме холостого хода ZH = ∞ (к вторичной обмотке трансформатора w2 подключен вольтметр с внутренним сопротивлением RV ≈ ∞) и ток I2 = 0, а на первичную обмотку w1 подано номинальное напряжение U1Н. Этот режим используется для определения пяти параметров трансформатора: номинальных на-

пряжений U1Н и U2Н на входе и выходе трансформатора, тока холостого хода I1Х, коэффициента трансформации k = U1Н /U2Н и потерь в стали сердечника ∆PСТ, т.е. потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе.

Врежиме холостого хода ток холостого хода мал (составляет примерно 5 % от номинального тока в первичной обмотке), а

ток I2 = 0, поэтому потери в сопротивлениях медных обмоток трансформатора малы и ими можно пренебречь. Следовательно,

82

суммарные потери трансформатора примерно равны потерям в стали сердечника ∆PСТ.

В режиме короткого замыкания ZH = 0 (к вторичной об-

мотке трансформатора w2 подключен амперметр с внутренним сопротивлением RА ≈ 0), а на первичную обмотку w1 подано такое небольшое напряжение короткого замыкания U1К, при котором токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора принимают номинальные значения I1Н и I2Н. Этот режим используется для определения четырех параметров трансформатора: номинальных токов I1Н и I2Н на входе и выходе трансформатора, напряжения короткого замыкания U1К и потерь в меди обмоток трансформатора ∆PМ.

В режиме короткого замыкания напряжение короткого замыкания U1К мало (составляет примерно 5 % от номинального напряжения на первичной обмотке), поэтому потри в стали сердечника малы и ими можно пренебречь. Следовательно, суммарные потери трансформатора примерно равны потерям в меди обмоток трансформатора ∆PМ.

В нагрузочном режиме ∞ > ZH >0. Его используют при эксплуатации трансформатора, а также для снятия нагрузочной характеристики трансформатора U2 f I2

эффициента полезного действия (КПД) трансформатора от тока нагрузки η = f(I2). Для вычисления КПД используют следующую формулу:

(S1H = U1Н· I1Н);

β – коэффициент загрузки трансформатора (β = I2 / I2Н); cosφ – коэффициент мощности нагрузки (в случае использования в качестве нагрузки лам накаливания cosφ = 1).

83

Если используют ваттметры для измерения активной мощности P1 в первичной обмотке трансформатора и активной мощности P2 во вторичной обмотке трансформатора, то КПД трансформатора можно найти по формуле

Однако при проведении лабораторных работ, когда измеряемые активные мощности малы и измерения проводятся в начальных участках шкал ваттметров, где погрешности измерения велики, пользоваться формулой (4.20) нежелательно. В этом случае необходимо пользоваться формулой (4.19).

Таким образом, из вышесказанного следует, что однофазные трансформаторы характеризуются следующими парамет-

рами:

1)номинальными напряжениями U1Н, U2Н и номинальными токами I1Н, I2Н в первичной и вторичной обмотках трансформатора;

2)номинальной полной мощностью трансформатора

S1H = U1Н· I1Н;

3)током холостого хода трансформатора I1Х = 0,05 I1Н;

4)коэффициентом трансформации k = U1Н / U2Н= w1 / w2;

5)напряжением короткого замыкания U1К = 0,05 U1Н;

6) номинальным коэффициентом полезного действия

η = 0,93–0,99;

7) коэффициентом мощности cosφ.

Работа однофазного трансформатора описывается двумя характеристиками:

а) нагрузочной характеристикой U2 f I2 , которая пока-

зывает (рис. 4.10), как уменьшается выходное напряжение трансформатора с увеличением тока нагрузки (тока во вторичной обмотке I2);

б) зависимостью (рис. 4.11) коэффициента полезного действия трансформатора от тока нагрузки η = f(I2).

84

и так же, как и у однофазных трансформаторов, выполняются из тонких листов электротехнической стали для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи.

Рис. 4.12

Первичные и вторичные обмотки могут соединяться либо «звездой», либо «треугольником». Следовательно, возможно че-

тыре типа схем соединения обмоток трехфазного трансформатора:

«звезда / звезда» ; «звезда / треугольник»; «треугольник / звезда»;

«треугольник / треугольник».

Стандартными для России являются соединения типа «звезда / звезда» и «звезда / треугольник». Каждое из этих соединений характеризуется своим коэффициентом трансформации C.

Для соединения «звезда»/ «звезда» (рис. 4.13) коэффициент трансформации трехфазного трансформатора рассчитывается по формуле:

86

т.е. при соединении обмоток типа «звезда / звезда» коэффициент трансформации трехфазного трансформатора С равен коэффициенту трансформации однофазного трансформатора k.

Для соединения «звезда / треугольник» (рис. 4.14) коэффициент трансформации трехфазного трансформатора рассчитывается по формуле

т.е. при соединении обмоток типа «звезда / треугольник» коэффициент трансформации трехфазного трансформатора С в

3 ðàç больше коэффициента трансформации однофазного

трансформатора k.

Таким образом, в трехфазном трансформаторе коэффициент трансформации зависит не только от числа витков в первичных и вторичных обмотках трансформатора, но и от схемы соединения его обмоток.

Кроме схемы соединения обмоток дополнительным параметром трехфазного трансформатора является группа соедине-

87

ния обмоток (ГСО), под которой понимают отношение угла сдвига фаз между одноименными линейными напряжениями на высокой и низкой сторонах трансформатора:

Для схемы соединения обмоток типа «звезда/ звезда» угол сдвига фаз между векторами напряжений U AB è Uab равен 0º,

поэтому ГСО = 0º / 30º = 0 (нулевая группа). Для схемы соединения обмоток типа «звезда/ треугольник» угол сдвига фаз меж-

ду векторами напряжений U AB и Uab равен 330º, поэтому ГСО = 330º / 30º = 11 (одиннадцатая группа).

4.8. Условное графическое обозначение трансформаторов

Условные графические обозначения трансформаторов могут быть многолинейными и однолинейными.

88

витков w1 и вторичные обмотки с количеством витков w2 подключены к трехпроводным линиям.

Две штриховых линии на рис. 4.15в означают, что обмотки w1 и w2 подключены двумя проводами.

Кроме того, на этикетках (на шильдиках), которые установлены непосредственно на трансформаторе приводится следующая информация:

ОС – 0,25 / 220 / 30 для однофазных трансформаторов и ТМ – 630 / 6 / 0,4 для трехфазных трансформаторов,

где ОС – однофазный силовой трансформатор; ТМ – трехфазный трансформатор с масляным охлаждением;

0,25 / 220 / 30 – номинальная полная мощность, кВА / номинальное напряжение на первичной обмотке w1, В / номинальное напряжение на вторичной обмотке w2, В;

630 / 6 / 0,4 – номинальная полная мощность, кВА / номинальное напряжение на первичной обмотке w1, кВ / номинальное напряжение на вторичной обмотке w2, кВ.

4.9. Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторы используются для расширения пределов измерения вольтметров, амперметров и ваттметров при измерениях в высоковольтных сетях и цепях промышленных предприятий с большими токами. Различают два типа измерительных трансформаторов: измерительные трансформаторы напряжения (ИТН), используемые для подключе-

ния вольтметров, и измерительные трансформаторы тока

(ИТТ), используемые для подключения амперметров. Пределы измерения вольтметров обычно не превышают 1000 В, а амперметров – 1000 А. Напряжения в высоковольтных сетях находятся в диапазоне от 6 до 500 кВ, а токи в цепях промышленных предприятий – от 1 до 500 кА, поэтому для их измерения с помощью стандартных приборов требуются ИТН и ИТТ. ИТН являются понижающими, а ИТТ – повышающими.

89