Вопросы: 1. Принцип действия трансформатора 2. Приведение параметров вторичной обмотки к первичной. 3. Схема замещения трансформатора. 4. Векторная диаграмма приведенного трансформатора активно-реактивной нагрузки.. 5. Режим холостого хода трансформатора. 6. Опыт холостого хода трансформатора. 7. Опыт короткого замыкания трансформатора. 8. Потери энергии в трансформаторе. 9. Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора 10. Внешняя характеристика трансформатора Цель лекции: изучить с помощью аналитического и графического описания характеристик трансформатора схемы замещения, опыты холостого хода и короткого замыкания, потери и КПД, внешнюю характеристику трансформатора.
ТРАНСФОРМАТОРЫ Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее количество индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока, имеющую другие характеристики. Состоит из двух или более электрически не связанных между собой обмоток с изоляцией - размещены на замкнутом магнитопроводе. Магнитопровод с обмотками - активная часть трансформатора. Вспомогательные элементы : -корпус или герметичный бак, -вводы с изоляторами, -устройство регулирования напряжения, -система охлаждения, -измерительные и защитные устройства, -крепежные элементы.
Принцип действия трансформатора Рисунок 12 1 – первичная обмотка – к сети 2 – вторичная обмотка – нагрузка 3 – магнитопровод u 1 - переменное напряжение i 1 – переменный ток - создаёт переменное магнитное поле с магнитодвижущей силой (МДС) i 1 W 1. Ф 1 и Ф 2 - потоки рассеяния и - индуктивности рассеяния 1-ой и 2-ой обмоток : е в = - d Ф 1 / dt.
где Р 1 – мощность, потребляемая трансформатором от источника питания; Р 2 = m 1 I 2 2 R ≈P 1 – мощность, потребляемая нагрузкой с сопротивлением R от трансформатора. Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Коэффициент трансформации : В режиме холостого хода U 2 =E 2 а U 1 ≈ E 1. Тогда W 2 > W 1 ( k T <1 ) - повышающий трансформатор W 2 < W 1 ( k T >1 ) - понижающий трансформатор Мощности S 1 на первичной и S 2 на вторичной стороне практически одинаковы S 1 = m 1 U 1 I 1 ≈ S 2 = m 1 U 2 I 2 Т.е., при уменьшении вторичного напряжения в k T раз по сравнению с первичным, ток во вторичной обмотке увеличится в k T раз и наоборот. Трансформатор изменяет сопротивление подключенной к нему нагрузки R в k T 2 раз относительно цепи источника питания:
Для полного описания режимов трансформатора необходимо построение векторной диаграммы. Однако совершенно несоизмеримыми для построения оказываются векторы электрических величин первичной и вторичной обмоток. Поэтому используют следующий прием: реальный трансформатор искусственно заменяют другим, приведенным, у которого число витков первичной и вторичной обмоток одинаковы. При этом мощности, потери и фазовые соотношения также должны быть одинаковыми. Обычно параметры вторичной обмотки приводят к первичной. Тогда из условий приведения W 2 ‘ = W 1 получаем:
Название величин Реальный Т Приведенный Т Количество витков ЭДС Напряжение Сила тока Активное сопротивление Индуктивное сопротивление Полное сопротивление 2. Приведение параметров вторичной обмотки к первичной Формулы описывающие работу приведенного трансформатора Вместо реального трансформатора мы получаем энергетически эквивалентный трансформатор с коэффициентом трансформации К 12 =1, который называется приведенный.
Схема замещения вводится для упрощения анализа электромагнитных процессов в трансформаторе, в которой магнитная связь заменяется электрической.
r 1, r 2 – учитывают потери на нагрев обмоток первичной и вторичной цепей; X 1, X 2 – индуктивности рассеяния основного потока в обмотках первичной и вторичной цепей; Упрощенная схема замещения (2.6б). В соответствии с этими уравнениями построена схема замещения трансформатора (рис. 2.9). (2.6б). В соответствии с этими уравнениями построена схема замещения трансформатора (рис. 2.9). Обозначения: r 0 – активное сопротивление учитывает потери в магнитопроводе (на вихревые токи и на гистерезис); X 0 – индуктивное сопротивление, учитывает намагниченность материала сердечника и зависит от марки материала; - полное сопротивление нагрузки Все параметры в схеме замещения, кроме, являются постоянными для данного трансформатора, и могут быть определены из опытов холостого хода и короткого замыкания.
ELCUT — это компьютерная программа для проведения инженерного анализа и двумерного моделирования методом конечных элементов (МКЭ) магнитных полей в электромагнитных устройствах.
4. Векторная диаграмма приведенного трансформатора активно-реактивной нагрузки Для построения вектора
5. Режим холостого хода трансформатора Под холостым ходом трансформатора понимается режим его работы при разомкнутой вторичной обмотке. ЭДС, индуктированная в первичной обмотке трансформатора основным магнитным потоком Основной магнитный поток изменяется по синусоидальному закону Ф m - максимальное или амплитудное значение основного магнитного потока; ω = 2 π f - угловая частота; f - частота переменного напряжения. Мгновенное значение ЭДС
Максимальное значение Действующее значение ЭДС в первичной обмотке Для вторичной обмотки получаем аналогичную формулу Магнитный поток рассеяния индуктирует в первичной обмотке ЭДС рассеяния L 1s - индуктивность рассеяния в первичной обмотке. Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа для первичной обмотки откуда (1)
Запишем уравнение (1) в комплексной форме (2) - индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки. Работа Т в режиме холостого хода векторная диаграмма схема замещения В режиме холостого хода Коэффициент трансформации:
6. Опыт холостого хода трансформатора - ток холостого хода -потери при холостом ходу схема опыта Цель опыта определении: коэффициента трансформации, потерь холостого хода , тока холостого хода, параметров намагничивающей ветви схемы замещения и,Ом. - номинальное напряжение Коэффициент трансформации : понижающий повышающий Ток холостого хода в процентах от номинального определяется: - номинальный ток первичной обмотки трансформатора, А. - номинальная мощность трансформатора, кВ*А.
Потери холостого хода определяться по ваттметру : где — потери в стали, Вт. Потери холостого хода равны потерям в стали. Если потери холостого хода больше, чем паспортные — магнитная система перегружена, если меньше — наоборот. Схема замещения опыта холостого хода Активное сопротивление намагничивающей ветви определится из опыта короткого замыкания Полное сопротивление намагничивающей ветви Индуктивное сопротивление :
7. Опыт короткого замыкания трансформатора Цель опыта — определение: а ) потерь короткого замыкания трансформатора,, Вт; (ваттметр) По потерям короткого замыкания можно судить о оптимальной плотности тока в обмотках и о сечениях проводов: - потери короткого замыкания больше нормы — сечение проводов обмоток занижено, - если меньше — наоборот завышено. схема опыта Вторичная обмотка трансформатора замкнута. Напряжение увеличивается до значения номинального тока. Потери короткого замыкания трансформатора равны потерям в обмотках. б) напряжения короткого замыкания, %; в ) параметров схемы замещения (Ом)
Схема замещения Т в опыте короткого замыкания Мощность потерь при коротком замыкании и номинальных токах Полное сопротивление Суммарное активное сопротивление обеих обмоток Реактивное сопротивление Напряжение короткого замыкания составляет 5—8 % Значение указано на щитке Т
Активная составляющая напряжения короткого замыкания Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания Процентные значения напряжения связаны между собой соотношением:
8. Потери энергии в трансформаторе. 1. Электрические потери (переменные потери) обусловлены нагревом обмоток при прохождении по ним тока (потери в медных проводах обмотки). - число фаз трансформатора эти потери определяются опытным путём, измеряя м ощность короткого замыкания при номинальных токах в обмотках - степень загрузки трансформатора Потери в обмотках = потерям короткого замыкания. - реальный и номинальные токи первичной стороны трансформатора, А;
2. Магнитные потери ( потери в стали) происходят в магнитопроводе. Причина их лежит в систематическом перемагничивании магнитопровода переменным магнитным полем. - потери вследствие гистерезиса; - потери вследствие вихревых токов. Магнитные потери не зависят от нагрузки трансформатора. Общие потери - определяется в опыте холостого хода; - определяется в опыте короткого замыкания Потери в стали = потерям холостого хода Для практических расчетов используется формула: — удельные потери соответственно стержней и ярем магнитопровода, Вт/кг; — масса стержней и ярем магнитопровода, кг; — коэффициент учитывающий дополнительные потери.
9. Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора. Коэффициент полезного действия трансформатора равен отношению активной мощности на выходе вторичной обмотки к активной мощности на входе первичной обмотки. С учетом нагрузки трансформатора Для силовых Т оптимальный коэффициент трансформации лежит в пределах 0,5-0,7 мощность, поступающая из сети в первичную нагрузку
10. Внешняя характеристика трансформатора Внешняя характеристика Т - зависимость между вторичными током и напряжением при изменении нагрузки, неизменном значении первичного напряжения U 1 и заданном коэффициенте мощности cos φ 2 во вторичной цепи. U 2 - вторичное напряжение; - величина нагрузки; - изменения напряжения. Положения характеристик зависят от мощности и характера нагрузки трансформатора
Внешняя характеристика Т - зависимость выходного напряжения от тока нагрузки с учетом его характера (активная - R, активно- емкостная - RC, активно – индуктивная - RL). Схема замещения трансформатора принимает вид: По второму закону Кирхгофа запишем уравнение для схемы замещения Т:
Векторная диаграмма для фиксированного значения тока нагрузки. активно- емкостная - RC активная - R активно – индуктивная - RL
