5) Рассчитать параметры схемы замещения трансформатора.

Схема замещения дана на рис. 3.14.

Рисунок 1.2 – Схема замещения

Чтобы определить ее параметры, необходимо использовать данные опытов холостого хода и короткого замыкания. Из опыта холостого хода при U₁ = U_1H находят:

; ; .

Активное сопротивление r₀ характеризует величину потерь в стали сердечника, а X₀ -реактивное сопротивление, характеризующее реактивную мощность намагничивания.

Из опыта короткого замыкания при I₁ = I_1H определяют r′₂ и X′₂ (приведенные значения параметров вторичной обмотки): r′₂ =r_k - r₁, где ; r₁ - активное сопротивление первичной обмотки, примерно равное омическому сопротивлению; X′₂ X₁ , где: , a .

6) Построить векторную диаграмму для номинального режима при активной и емкостной нагрузке.

Полученные из векторной диаграммы значения φ₁, и U₁ необходимо сравнить с действительными величинами, полученными при снятии внешней характеристики.

7) Определить кратность аварийного тока короткого замыкания при u_k = U_lH, из соотношения , тогда по отношению к номинальному току.

8) Сделать выводы по проделанной работе. Краткие теоретические сведения

Трансформатор – электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Основные требования, предъявляемые к ним: минимальные стоимость, вес, габариты при максимальном КПД, полученные с учетом конкретных условий работы. Как обычно, выполнение этих требований достигается наиболее полным использованием активных материалов, применением новых, более совершенных, изоляционных материалов и разработкой простых форм конструкций. Однако, чрезмерное использование активных материалов приводит к значительному росту потерь и снижению КПД.

Основные элементы конструкции. Основными элементами конструкции трансформатора малой мощности являются магнитопровод и обмотки. Магнитопровод предназначен для проведения магнитного потока, т.е. для усиления электромагнитной связи между обмотками. Изготовляется магнитопровод из отдельных изолированных друг от друга пластин, либо наматывается из полос электротехнической стали, прессуется из специальных порошкообразных материалов.

На рис. 1.3 показаны шихтованные сердечники различных типов: а) - броневой (Ш-образный), б) - стержневой (П-образный), в) - тороидальный (0-образный),

г) -трехфазный (Е-образный). Шихтованные сердечники набираются из пластин толщиной 0,02.. 0,5 мм. При этом различают шихтовку вперекрышку и встык. На рис. 1.4 показано: а) шихтовка вперекрышку; б) шихтовка встык. Прессовка и стяжка отдельных пластин часто осуществляется стяжными шпильками, для которых выштамповываются отверстия в пластинах.

Ленточные сердечники изготовляются из узкой ленты электротехнической стали. По аналогии с штампованными сердечниками они могут быть названы Ш-, П-_, 0- и Е-образными. Ленточные сердечники бывают замкнутыми и разъемными. Замкнутые сердечники показаны на рис. 1.5: а) броневой, б) стержневой,

в) тороидальный, г) трехфазный. Достоинством замкнутых сердечников является высокое качество магнитопровода (отсутствие стыков). Однако при этом необходимо вматывать катушки в сердечники, что является весьма трудоемкой работой.

Рисунок 1.3 – Шихтованные сердечники трансформаторов различных типов

Рисунок 1.4 - Шихтованные сердечники трансформаторов с различным видом шихтовки

Этот недостаток устранен в разъемных ленточных сердечниках (рис. 1.6), но наличие воздушного зазора между частями сердечника вызывает увеличение тока холостого хода (тока намагничивания).

Рисунок 1.5 – Замкнутые сердечники трансформаторов

Рисунок 1.6 - Разъемные ленточные сердечники

Прессованные сердечники изготовляются аналогичных конструкций.

Существует принципиально два способа выполнения обмоток (Л-1,3):

а) цельные, когда обмотка наматывается непрерывно в виде многослойной катушки с необходимым числом витков; б) галетные, когда обмотка выполняется в виде отдельных элементов, каждый из которых имеет законченную конструктивную форму. На рис. 1.7, а) показана обычная цельная обмотка; на рис. 1.7, б) цельная секционированная обмотка (как частный случай цельной), которая обычно применяется для высоковольтных микротрансформаторов и на рис. 1.7, в) галетная обмотка, которая нашла широкое применение в низковольтных многообмоточных трансформаторах.

Рисунок 1.7 – Виды обмоток трансформатора

Взаимное расположение обмоток различных напряжений может быть концентрическим или чередующимся.

Концентрические обмотки располагаются одна внутри другой (рис. 1.8, а)). Этот тип обмоток весьма прост и технологичен.

Чередующиеся обмотки сложнее, т.к. они разбиваются на отдельные части и располагаются вдоль стержня (рис. 1.8, б)).

Рисунок 1.8 - Концентрические и чередующиеся обмотки

В трансформаторах и автотрансформаторах малой мощности применение изоляционных материалов связано с необходимостью изолировать пластины сердечника, катушки обмоток от сердечника, один слой обмотки от соседних слоев одной и той же катушки (междуслоевая изоляция), одну обмотку от другой. В зависимости от назначения изоляции применяют различные ее виды. Например, с целью уменьшения потерь в сердечнике от вихревых токов его пластины или ленту покрывают слоем изоляционного лака, или обклеивают изоляционной бумагой, или специальной обработкой создаются на поверхности железа изоляционную оксидную пленку. Для изоляции обмоток от сердечника обычно применяют изоляционные каркасы, из гетинакса, текстолита, пресспорошка и др., которые иногда одновременно служит шаблоном для намотки обмотки, либо применяют лакоткани или электрокартон, которыми изолируется обмотка от сердечника. В качестве междуслоевой изоляции применяют кабельную бумагу, электрокартон, лакоткани, пленки и т.д. Часто для улучшения изоляционных и механических свойств, а также повышения влагостойкости обмотки пропитывают изоляционными лаками, заливают битумными и другими компаундами.

В последнее время находят применение изоляции на основе эпоксидных смол, изоляция с применением кремнеорганических и других неорганических соединений (стеклоткань и др.).

Применение того или иного вида изоляции в обмотках зависит от тех конкретных требований, которые предъявляются к данному трансформатору малой мощности.

Основные соотношения. Введение в катушку стального сердечника, обладающего большой магнитной проницаемостью, увеличивает индуктивность катушки и ее индуктивное сопротивление. Активное сопротивление такой катушки также возрастает из-за потерь в стали. Работа стального сердечника в цепи переменного тока, то есть при перемагничивании, характерна наличием нелинейной зависимостью между потоком и током; эта зависимость определяется петлей гистерезиса. Площадь петли пропорциональна потерям в стали. Для возможности построения векторных диаграмм заменяют несинусоидальный намагничивающий ток эквивалентным синусоидальным током I₀.

Для понимания основных соотношений рассмотрим упрощенную конструкцию трансформатора рисунок 1.9. На рисунке показаны величины U₁ – напряжением питающей сети; Ф – магнитный поток в магнитопроводе; U₂ – напряжение на вторичной обмотке; I₁, I₂ – ток в первичной и вторичной обмотке; w₁, w₂ – количество витков первичной и вторичной обмотки.

Рисунок 1.9 – Упрощенная конструкция трансформатора

Запишем зависимость между напряжением питающей сети u и магнитным потоком, возникающим в катушке имеет вид:

,

где ω – угловая частота питающей сети, ω=2π·f; f - частота питающей сети, Гц; w - количество витков обмотки. Следовательно, синусоидальный поток сдвинут на угол 90° относительно напряжения в сторону опережения. Для трансформатора со стальным сердечником в режиме холостого хода, перейдя к действующим значениям, получим:

.

Значит, поток пропорционален напряжению Ф_m ~ U.

Таким образом, магнитный поток трансформатора пропорционален напряжению первичной обмотки ( ), а в свою очередь э. д. с. вторичной обмотки Е₂ пропорциональна потоку ( ), т.к. поток является общим для двух обмоток.

Магнитный поток Ф в сердечниках силовых трансформаторов, подключаемых непосредственна к зажимам сети с постоянным напряжением U₁, остается практически постоянным при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной.

Постоянство потока означает постоянство результирующей намагничивающей силы I₀·w₁, определяемой как геометрическая сумма намагничивающих сил обеих обмоток:

.

Пользуясь этим векторным уравнением ампервитков, следует помнить, что токи I₁ и I₂ физически и векторно почти противоположны, то есть если ток I₁ намагничивает сердечник, то ток I₂ размагничивает его. Тем самым I₀·w₁ значительно меньше I₁w₁. Разделив обе части уравнения нa w₁, и решив уравнение относительно I₁, получим:

.

Здесь – приведенное значение вторичного тока; – коэффициент трансформации.

Приведение величин вторичной обмотки к величинам первичной введено для упрощения расчетов и диаграмм; оно сводится к умножению вторичных величин на коэффициенты приведения, равные для э. д. с. и напряжений – k, для токов – 1/k, для сопротивлений – k².

Ток I₁ больше I′₂ и I₀; он будет равен току I₀ только в режиме холостого хода, когда I′₂=0. Следовательно, результирующий намагничивающий ток I₀ является током холостого хода. Ток холостого хода мал (обычно составляет 6—10% от номинального тока) поэтому . Равенство I₁ = I′₂ будет при I₀ = 0, что имеет место у специальных трансформаторов (трансформаторы тока).

Постоянство результирующей намагничивающей силы I₀·w ₁, объясняет у силовых трансформаторов автоматическое изменение первичного тока I₁ при изменении тока нагрузки, трансформатора I₂ – саморегулирование трансформатора. Увеличение размагничивающего тока I₂ требует увеличения намагничивающего тока I₁ с тем, чтобы ток I₀ оставался постоянным.

При анализе работы трансформаторов и электрических цепей, в которые они включены, используются схемы замещения. На рисунке 1.10 приведена Т-образная схема замещения трансформатора.

Рисунок 1.10 – Т-образная схема замещения трансформатора

Работа трансформатора в любом режиме выражается следующими соотношениями для МДС и ЭДС первичной и приведенной вторичной обмоток:

Изменение токов и напряжений, а равно углов сдвига их фаз у трансформатора при разных режимах его работы наиболее наглядно видно на векторной диаграмме.

Векторную диаграмму нужно хорошо знать, то есть нужно уметь ее строить и уметь анализировать различные режимы работы, пользуясь этой диаграммой.

Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода отличается от векторной диаграммы катушки со стальным сердечником лишь тем, что добавляется вектор э. д. с. вторичной обмотки.

На векторной диаграмме нужно проследить, как меняется по величине и фазе первичный ток трансформатора при изменении нагрузки (либо по величине, либо по фазе), а равно как меняется вторичное напряжение при изменении вторичного тока.

Для определения параметров трансформатора проводят опыты холостого хода и короткого замыкания.

Опыт холостого хода. Опыт холостого хода проводится при разомкнутой вторичной обмотке трансформатора. по схеме на рис. 3.10. Плавно изменяя напряжение на первичной обмотке, снимают величины напряжения, тока и мощности первичной обмотки. На рис. 1.11 показан приблизительный вид этих зависимостей.

Мощность Р₀ = f(U) , потребляемая трансформатором, расходуется в основном на покрытие потерь в стали сердечника, которые пропорциональны квадрату величины индукции, или квадрату напряжения, . Поэтому зависимость Р₀ = f(U) имеет параболический характер.

Рисунок 1.11 – Кривые зависимостей I₀, Р₀, Z₀, r₀ и cos φ₀ от

напряжения на первичной обмотке

Кривая зависимости cos φ₀ = f(U) отражает собой соотношение активной составляющей тока к полному току, или же соотношение параметров холостого хода . Уменьшение cos φ₀ с ростом напряжения объясняется увеличением насыщения стали сердечника. Насыщение стали сердечника приводит к резкому росту реактивного тока намагничивания, причем более быстрому, чем активной составляющей тока.

Из опытных данных определяется коэффициент трансформации по напряжению k = (при U₁₀ = U_lH ).

Опыт короткого замыкания. Опыт короткого замыкания проводится при закороченной вторичной обмотке.

Опыт короткого замыкания позволяет определить величину потерь в меди обмоток и напряжение короткого замыкания u_k.

Плавно изменяя напряжение на первичной обмотке от нулевого значения до напряжения при котором ток во вторичной обмотке увеличится до номинального.

Приблизительный вид характеристик снятых при опыте показан на рис. 1.12.

Рисунок 1.12 – Характеристики опыта короткого замыкания.

Зависимость U_k = f(I_k) есть прямая линия, т.к. в режиме короткого замыкания сталь сердечника ненасыщенна, а реактивная составляющая сопротивления короткого замыкания определяется магнитной проводимостью потоком рассеяния. Поскольку потоки взаимоиндукции малы и сталь ненасыщенна, то преобладающая часть подводимой мощности при коротком замыкании расходуется на потери в меди обмоток микротрансформатора. Потери в меди пропорциональны квадрату тока, Р I², вследствие этого зависимость P_k = f(I_k) носит параболический характер.

Из зависимости cosφ_k = f(I_k) видно, что cos φ _k мало изменяется, т.к. параметры X_k и r_k остаются приблизительно постоянными.

Величина напряжения короткого замыкания u_k определяет кратность аварийного тока короткого замыкания при u_k = U_lH, как , тогда по отношению к номинальному току.

Внешняя характеристика трансформатора. Определить изменение напряжения ΔU₂ на вторичной обмотке при номинальной активной и емкостной нагрузке.

Для снятия внешней характеристики вторичную обмотку трансформатора подключают к нагрузке. Изменяя сопротивление нагрузки таким образом, чтобы ток вторичной обмотки изменялся от нуля до номинального. В процессе опыта напряжение первичной обмотки U₁ должно быть постоянным.

По данным опыта строится внешняя характеристика U₂ = f(I₂) при cosφ₂ = 1 и при cosφ₂ = 0. Ее приблизительный вид показан на рис. 1.13.

Рисунок 1.13 – Внешняя характеристика трансформатора

Векторные диаграммы. Согласно основным соотношениям для трансформаторов можно построить векторные диаграммы для различных нагрузок. На рис. 1.14,а - показана векторная диаграмма для активно-индуктивной нагрузки, а на рис. 1.14,б - для емкостной.

Рисунок 1.14 – Векторные диаграммы для различных видов нагрузок

При построении векторной диаграммы считаем заданными вторичное напряжение , вторичный ток и коэффициент мощности cos φ₂. Совместим вектор с отрицательным направлением оси ординат и под углом φ₂ к нему отложим величину опережающего или отстающего тока – в выбранном масштабе.

Сложив геометрически вектор напряжения и вектор падения напряжения на внутреннем сопротивлении вторичной обмотки , получим величину ЭДС вторичной обмотки , равную составляющей первичного напряжения . Вектор основного потока Ф опережает вектор первичной ЭДС на угол 90 градусов. Вектор намагничивающего тока опережает вектор основного потока Ф на угол магнитного запаздывания, который можно определить из опыта холостого хода:

,

где Р_хх – потери в режиме холостого хода равные Р₀ магнитным потерям в стали сердечника трансформатора;

I_хх – ток холостого хода трансформатора равный намагничивающему току I₀.

Вектор первичного тока определяется как геометрическая сумма векторов.

.

Чтобы построить вектор первичного напряжения U₁, необходимо сложить составляющие этого вектора - и .